18 ο ΦΟΙΤΗΤΙΚΟ ΣΥΝΕ ΡΙΟ «ΕΠΙΣΚΕΥΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ 2012»

Transcript

1 Τµ. υτ. Ελλάδας 18 ο ΦΟΙΤΗΤΙΚΟ ΣΥΝΕ ΡΙΟ «ΕΠΙΣΚΕΥΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ 2012» Υπεύθυνος έκδοσης Καθ. Σ. Η. ρίτσος Πάτρα 2012 Εκδόσεις Πανεπιστηµίου Πατρών

2 ΧΟΡΗΓΟΙ - ΥΠΟΣΤΗΡΙΚΤΕΣ Πανεπιστήµιο Πατρών Επιτροπή Ερευνών

3 Τα κείµενα του παρόντος τόµου, είναι φοιτητικές εργασίες που εκπονήθηκαν στο Ε Έτος του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών το ακαδηµαϊκό έτος Περιλαµβάνονται έτσι όπως ακριβώς υποβλήθηκαν από τους φοιτητές συγγραφείς τους, χωρίς προγενέστερη κρίση ή αποδοχή των στοιχείων και των απόψεων των συγγραφέων i

4 ii

5 Οι εργασίες αυτές παρουσιάστηκαν από τους πεµπτοετείς φοιτητές του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών στο 18 ο φοιτητικό συνέδριο «Επισκευές Κατασκευών 2012» που πραγµατοποιήθηκε τον Φεβρουάριο του 2012 στα πλαίσια του µαθήµατος «Ενισχύσεις- Επισκευές Κατασκευών από Οπλισµένο Σκυρόδεµα». Η εκτύπωσή τους αποφασίστηκε για να δώσει στους φοιτητές την ικανοποίηση της δηµοσίευσης της δουλειάς τους αλλά και να διευκολύνει την αµφίδροµη επικοινωνία Πανεπιστηµίου και Εφαρµογής. Όµως ο αναγνώστης δε θα πρέπει να λησµονεί ότι οι εργασίες έχουν γραφτεί από φοιτητές και ως εκ τούτου οι ατέλειες που υπάρχουν θα πρέπει να κοιταχθούν µε κατάλληλη επεξεργασία. Επισηµαίνεται ότι οι εργασίες του συνεδρίου είναι «αναρτηµένες» στη σχετική ιστοσελίδα, όπου µπορεί να αναζητηθεί και άλλο υλικό σχετικό µε τις επισκευές. Το συντονισµό για το συνέδριο και την παρούσα έκδοση είχαν οι πολιτικοί µηχανικοί, κες Ν. Καρέλα και Ε. Αποστολίδη, που έδωσαν πολύ χρόνο για την επιτυχία του συνεδρίου. Τους αξίζουν ιδιαίτερες ευχαριστίες. Εφέτος, το συνέδριο συνδιοργανώνεται µε το Τ.Ε.Ε./Τµ. υτ. Ελλάδος στο οποίο απευθύνονται ιδιαίτερες θερµές ευχαριστίες. Θερµές ευχαριστίες επίσης απευθύνονται στον σύλλογο Πολιτικών Μηχανικών Ελλάδος και στις εταιρίες λογισµικού 3DR και LH Λογισµική για το ενδιαφέρον τους για το συνέδριο και για την απόφασή τους να βραβεύσουν µε χρηµατικά έπαθλα τις καλύτερες εργασίες. Τέλος, ευχαριστίες απευθύνονται στο Παν/µιο Πατρών (Επιτροπή Ερευνών και Τµήµα Πολ. Μηχανικών), στον Ο.Α.Σ.Π., στις χαλυβουργίες: Σιδενόρ, Χαλυβουργία Ελλάδος και Χαλυβουργική και στην εταιρία λογισµικού LH Λογισµική, για την οικονοµική υποστήριξη του συνεδρίου. Έχω την ελπίδα ότι η παρούσα έκδοση θα αποτελέσει χρήσιµο βοήθηµα στους µηχανικούς της πράξης σε θέµατα Ανασχεδιασµού Κατασκευών. Πάτρα, Φεβρουάριος 2012 Σ. Η. ρίτσος iii

6 iv

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Συγκρούσεις Παρακείµενων Κατασκευών Λόγω Σεισµικής Αλληλεπίδρασης. Γεωργιάδης και Ε. Γιούνη 2. Αποτίµηση της Συµπεριφοράς Κτιρίων Οπλισµένου Σκυροδέµατος σε Φόρτιση Τσουνάµι Β. Καρακωνσταντής και Ν. Περογιαννάκη 3. Αποτίµηση & Επισκευή-Ενίσχυση Κατασκευών ΟΣ σε Θαλάσσιο Περιβάλλον Α. Μυστηλιάδη 4. Ενίσχυση Πλαισίου µε Μανδύα Οπλισµένου Σκυροδέµατος και Σύνθετα Υλικά Π. Ντόλιας Επισκευή και Ενίσχυση Θεµελίων Β. Μπέλλου Ενίσχυση Ιστορικών Κατασκευών Με Ινοπλισµένα Πολυµερή (F.R.P) Η. Τσώλου Ενίσχυση Κατασκευών Οπλισµένου Σκυροδέµατος Έναντι Εκρήξεων Με Σύνθετα Υλικά Λ. Πανουτσοπούλου 8. Σεισµική Αποτίµηση Γέφυρας Σκυροδέµατος και Ενίσχυση Βάθρων µε Μανδύα Ινοπλισµένων Πολυµερών Π. Μίντζας και. Σταυρέλη 9. Η Χρήση των Μεταλλικών ικτυωτών Συνδέσµων στην Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών Ο/Σ Α. Πετρόπουλος 10. Η Μέθοδος των Μετατεταγµένων Κατακόρυφων ίσκων στις Ενισχύσεις των Κατασκευών Π. Ρήγας Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών µε Αποσβεστήρες Τριβής. Λοτσάρης και Α. Παχής Σεισµική Μόνωση Υφισταµένων Κατασκευών µε Ελαστοµερή Συστήµατα και ιερεύνηση της Ανταγωνιστικότητας των Ελαστοµεταλλικών Εφεδράνων µε Πυρήνα Μολύβδου LRB. Κιτσικοπούλου 135 v

8 13. Αποτίµηση και Ενίσχυση Ιδεατού Κτιρίου µε Μη-Γραµµική Στατική Υπερωθητική (Pushover) Ανάλυση Κατά ΚΑΝ.ΕΠΕ. Ι. Ρόµπολας και Κ. Τερζής Συγκριτική Μελέτη Μεθόδων Ενίσχυσης Πλαισιακών Φορέων, µε ή χωρίς Μαλακό Όροφο, Μέσω Ανελαστικών Στατικών Αναλύσεων Λ. Λατσός και Α. Τουσµάνης 159 vi

9 Συγκρούσεις Παρακείµενων Κατασκευών Λόγω Σεισµικής Αλληλεπίδρασης ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΙΣ ΠΑΡΑΚΕΙΜΕΝΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΛΟΓΩ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΓΕΩΡΓΙΑ ΗΣ ΗΜΗΤΡΗΣ ΓΙΟΥΝΗ ΕΛΙΣΑΒΕΤ Περίληψη Σε αυτήν την εργασία παρατίθεται και αναλύεται το φαινόµενο της αλληλεπίδρασης κατασκευών. Στο πρώτο µέρος της εργασίας γίνεται µία βιβλιογραφική έρευνα που περιέχει πορίσµατα από τις σηµαντικότερες µελέτες των τελευταίων 20 χρόνων και έχει στόχο την παρουσίαση και κατανόηση του φαινοµένου και των παραµέτρων που το επηρεάζουν. Επίσης γίνεται αναφορά στις συστάσεις των κανονισµών ΕΑΚ, ΕΚ8, ΚΑΝ.ΕΠΕ. για την αντιµετώπιση του φαινοµένου. Στο δεύτερο µέρος παρατίθενται τρεις συγκριτικές αναλύσεις χρονοϊστορίας σε δύο γειτονικά κτίρια διαφορετικού ύψους µε µεταβαλλόµενη ενδιάµεση απόσταση, που πραγµατοποιήθηκαν από τους συγγραφείς µε το λογισµικό SAP2000. Στόχος των αναλύσεων είναι η παρουσίαση των συνεπειών της αλληλεπίδρασης στην απόκριση των κατασκευών και ο έλεγχος της αποτελεσµατικότητας των µέτρων προστασίας των κτιρίων που προτείνονται από τους κανονισµούς. Α. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το φαινόµενο αλληλεπίδρασης κατασκευών (structural pounding) αναφέρεται σε οριζόντιες συγκρούσεις γειτονικών κτιρίων ως αποτέλεσµα έντονων σεισµικών διεγέρσεων. Παρατηρείται σε διπλανά κτίρια που ταλαντώνονται εκτός φάσης (Σχήµα 1), εξαιτίας των διαφορετικών δυναµικών τους χαρακτηριστικών, µε ανεπαρκές ενδιάµεσο κενό για την σχετική τους µετακίνηση [1]. Σχήµα 1: Σεισµική συµπεριφορά παρακείµενων κτιρίων 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

10 Γεωργιάδης ηµήτρης, Γιούνη Ελισάβετ Οι ισχυρές δυνάµεις που δηµιουργούνται κατά τις συγκρούσεις εφαρµόζονται για πολύ µικρό χρονικό διάστηµα δηµιουργώντας κύµατα καταπόνησης και πίεσης που ταξιδεύουν µακριά από την περιοχή επαφής των κατασκευών, επηρεάζοντας τόσο τοπικά όσο και συνολικά την απόκρισή τους. Οι κατασκευές, λοιπόν, καλούνται να ανταπεξέλθουν στα φορτία του σεισµού και συγχρόνως στα επιπρόσθετα λόγω των συγκρούσεων, τα οποία όµως δεν έχουν συµπεριληφθεί στον σχεδιασµό τους, µε αποτέλεσµα πιθανόν να υπερβούν τα όρια αντοχής τους [2]. Οι διαφορές µεταξύ καταστροφών λόγω αλληλεπίδρασης των κατασκευών σε σχέση µε άλλες ζηµιές λόγω σεισµών είναι ότι οι δυνάµεις πρόσκρουσης µπορεί να προκαλέσουν άµεση κατάρρευση και µείωση των πιθανοτήτων επιβίωσης των ενοίκων [3]. Αποτελέσµατα της αλληλεπίδρασης µπορεί να είναι, επίσης, τεράστια δοµική καταστροφή, αστοχία και πτώση εξαρτηµάτων του κτιρίου µε κίνδυνο για τους περαστικούς, βλάβη στα µηχανολογικά, ηλεκτρολογικά και πυροσβεστικά συστήµατα, αρχιτεκτονικές και µη δοµικές µικρές ζηµιές. Σε δηµόσια κοινωφελή κτίρια και εγκαταστάσεις όπως νοσοκοµεία, πυροσβεστική και κτίρια τηλεπικοινωνιών αυτές οι δευτερεύουσες καταστροφές µπορούν να οδηγήσουν σε αναστολή των υπηρεσιών και καθυστέρηση ανάκαµψης µετά από το σεισµό [4]. Οι καταγραφές και οι επί τόπου παρατηρήσεις µετά από καταστρεπτικούς σεισµούς σε όλο τον κόσµο έχουν επιβεβαιώσει τη σηµαντική επιρροή της αλληλεπίδρασης των κατασκευών στη σεισµική τους απόκριση. Σηµαντικά φαινόµενα αλληλεπίδρασης έχουν καταγραφεί στους παρακάτω σεισµούς ([2], [4], [5], [6]) : 1964 Αλάσκα, όπου ο πύργος του Anchorage Westward Hotel καταστράφηκε όταν συγκρούστηκε µε το τριώροφο κτίριο δεξιώσεων του ίδιου ξενοδοχείου, 1967 Venezuela, 1971 San Fernando, όπου το Olive View Hospital συγκρούστηκε µε το εξωτερικό κλιµακοστάσιο και ο πρώτος του όροφος µε µία γειτονική αποθήκη, 1972 Managua, 1977 Romania, 1977 Θεσσαλονίκη, 1981 Κεντρική Ελλάδα, 1985 Mexico, όπου τουλάχιστον το 15% από τα 330 κτίρια που κατέρρευσαν είχαν ως αιτία τις συγκρούσεις µεταξύ τους, 1989 Loma Prieta San Francisco, όπου καταγράφτηκαν 200 περιστατικά που αφορούσαν πάνω από 500 κτίρια, 1999 Πάρνηθα, όπου τµήµατα σχολείου στην Αθήνα συγκρούστηκαν µε αποτέλεσµα την κατάρρευση του παραπετάσµατος της στέγης, 2010 Darfield New Zealand. Για την πρόληψη του φαινοµένου οι κώδικες προβλέπουν διαχωρισµό των κατασκευών, που όµως δεν είναι πάντοτε αποτελεσµατικός ή εφαρµοστέος. Αυτό συµβαίνει γιατί οι αποστάσεις είναι ανεπαρκείς και αντιφατικές µε την φιλοσοφία των µοντέρνων κωδίκων που υπαινίσσονται ότι µεγάλες παραµορφώσεις µπορούν να συµβούν σε µεγάλους σεισµούς λόγω ανελαστικής απόκρισης. Επίσης, το υψηλό κόστος γης και τα µικρά οικόπεδα στα κέντρα πόλεων κάνουν την εφαρµογή της σεισµικής µόνωσης δύσκολη, εφόσον η γη είναι ένα ακριβό αγαθό το οποίο οι κάτοχοί του το χρησιµοποιούν στο µεγαλύτερο δυνατό βαθµό µεγαλώνοντας την έκταση των οικοδοµηµάτων για οικονοµικούς λόγους [7]. Πρόβληµα λόγω της αλληλεπίδρασης έχουν, τέλος, και τα κτίρια που είναι κατασκευασµένα µε τους κανονισµούς προ του 1995, όπου δεν προβλεπόταν αντισεισµικός αρµός. Η αλληλεπίδραση των κατασκευών είναι ένα φαινόµενο εξαιρετικά ενδιαφέρον αλλά και περίπλοκο, που ενώ επηρεάζει σηµαντικά τόσο τα µελλοντικά όσο και τα υφιστάµενα κτίρια, δεν δέχεται επαρκή προσοχή από τους µηχανικούς στο σχεδιασµό των κτιρίων. 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

11 Συγκρούσεις Παρακείµενων Κατασκευών Λόγω Σεισµικής Αλληλεπίδρασης 2. ΑΝΑΛΥΤΙΚΕΣ ΜΕΛΕΤΕΣ Οι µελέτες για τις συγκρούσεις κατασκευών που έχουν γίνει µέχρι σήµερα εστιάζουν σε τέσσερις τοµείς [1]: στην παρατήρηση καταστροφών και ζηµιών σε αναλυτικές µελέτες της δυναµικής του φαινοµένου, µε στόχο την κατανόηση της συµπεριφοράς των κατασκευών µακροσκοπικά και εξαγωγή ποιοτικών αποτελεσµάτων µε χρήση συστηµάτων ενός βαθµού ελευθερίας για απλοποίηση του προβλήµατος σε συγκεκριµένες αναλύσεις κατασκευών, µε σκοπό την αποτύπωση της απόκρισης πραγµατικών κατασκευών µε χρήση συστηµάτων περισσότερων βαθµών ελευθερίας (Σχήµα 2,3) στον έλεγχο µεθόδων άµβλυνσης του φαινοµένου Τα σενάρια αλληλεπίδρασης που εξετάζονται διαχωρίζονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα µε τη ζηµιά που προκαλούν. Πρώτον, σε αυτά όπου οι συγκρούσεις γίνονται µεταξύ των πλακών ορόφων (Σχήµα 2) και δεύτερον σε αυτά όπου οι συγκρούσεις γίνονται µεταξύ πλάκας και υποστυλώµατος (Σχήµα 3). Στην πρώτη περίπτωση η ζηµιά είναι συνολική και προκαλείται από την µεταφερόµενη ενέργεια και ορµή λόγω της σύγκρουσης αυξάνοντας την απόκριση της κατασκευής. Στην δεύτερη η ζηµιά είναι τοπική και προκαλείται από την φυσική επαφή των δύο κτιρίων [8]. Σχήµα 2: Εξιδανίκευση αλληλεπίδρασης πλάκας µε πλάκα [1] Σχήµα 4: Εξιδανίκευση αλληλεπίδρασης πλάκας µε υποστύλωµα [7] 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

12 Γεωργιάδης ηµήτρης, Γιούνη Ελισάβετ 2.1. ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΕΠΑΦΗΣ Η αλληλεπίδραση είναι πολύπλοκο φαινόµενο που εµπεριέχει πλαστικές παραµορφώσεις στα σηµεία επαφής, τοπικές ρηγµατώσεις, συνθλίψεις και αστοχίες λόγω της πρόσκρουσης και της τριβής. Η διαδικασία µεταφοράς ενέργειας είναι αρκετά περίπλοκη και κάνει την µαθηµατική ανάλυση ακόµα πιο σύνθετη [2] ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ ΠΛΑΚΩΝ ύο βασικές µέθοδοι αναπτύσσονται στη βιβλιογραφία για την προσοµοίωση του φαινοµένου η στερεοµηχανική µέθοδος και η µέθοδος του στοιχείου επαφής. Στερεοµηχανική µέθοδος Αυτή η προσέγγιση του φαινοµένου υποθέτει στιγµιαία επαφή των κτιρίων και χρησιµοποιεί την διατήρηση της ορµής και τον συντελεστή αποκατάστασης για τον προσδιορισµό των ταχυτήτων µετά την πρόσκρουση. Με τη χρήση αυτού του συντελεστή συνυπολογίζονται οι µόνιµες παραµορφώσεις που προκαλεί η κρούση. Αυτή η µέθοδος δεν χρησιµοποιείται ευρέως διότι δεν µπορούν να υπολογιστούν οι δυνάµεις πρόσκρουσης, οι επιταχύνσεις και η διάρκεια επαφής και κατ επέκταση δεν µπορεί να ενσωµατωθεί σε µία ανάλυση χρονοϊστορίας [8]. Μέθοδος στοιχείου επαφής Σε αυτήν την µέθοδο το πρόβληµα µοντελοποιείται µε τη χρήση ενός στοιχείου που ενεργοποιείται όταν οι κατασκευές έρχονται κοντά. Ένα ελατήριο µε υψηλή δυσκαµψία είναι το κατάλληλο για τον προσδιορισµό της δύναµης πρόσκρουσης, για την εξασφάλιση επαφής σύντοµης διάρκειας και για να περιορίσει τη µετακίνηση. Αυτή η µέθοδος προσεγγίζει καλύτερα το φαινόµενο µε την προϋπόθεση ότι χρησιµοποιούνται οι κατάλληλες ιδιότητες του ελατηρίου. Εντούτοις, αυτές οι ιδιότητες είναι αρκετά ασαφής και έτσι προσδιορίζονται δύσκολα, αλλά οι αναλύσεις αποδεικνύουν ότι µεγάλη αλλαγή των τιµών τους δεν επηρεάζει ουσιαστικά την απόκριση των κατασκευών, παρά µόνο τις δυνάµεις πρόσκρουσης [8]. ιατίθενται τέσσερα µοντέλα [9]: Σχήµα 3: Στοιχεία επαφής [9] Γραµµικό ελατήριο Είναι η πιο απλή µέθοδος και µπορεί να εκτελεστεί εύκολα και σε λογισµικό, αλλά δεν προσοµοιώνονται οι απώλειες ενέργειας (Σχήµα 3(α)). Μοντέλο Kelvin Σε αυτό το µοντέλο χρησιµοποιείται ένα γραµµικό ελατήριο µαζί µε ένα αποσβεστήρα. Η σταθερά απόσβεσης εκφράζει την ποσότητα απώλειας ενέργειας αλλά το ιξώδες στοιχείο παραµένει ενεργοποιηµένο και µετά την επαφή (Σχήµα 3(β)). 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

13 Συγκρούσεις Παρακείµενων Κατασκευών Λόγω Σεισµικής Αλληλεπίδρασης Μοντέλο Hertz Σε αυτό το µοντέλο χρησιµοποιείται ένα µη γραµµικό ελατήριο. Η προσέγγιση είναι ρεαλιστική, αλλά δεν µοντελοποιείται η απώλεια ενέργειας και η εφαρµογή του σε λογισµικό είναι ιδιαίτερα περίπλοκη (Σχήµα 3(γ)). Μοντέλο Hertzdamp Σε αυτό το µοντέλο συνδυάζεται το µη γραµµικό ελατήριο Hertz µε έναν µη γραµµικό αποσβεστήρα, ώστε να προσδιορίζεται η απώλεια ενέργειας. Αποτελεί την πιο αντιπροσωπευτική εξιδανίκευση ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ ΠΛΑΚΑΣ ΥΠΟΣΤΗΛΩΜΑΤΟΣ Σε αυτές τις µελέτες χρησιµοποιείται ένα γραµµικό στοιχείο επαφής χωρίς απόσβεση γιατί την πλειοψηφία της πλαστικής δράσης την αναλαµβάνει το υποστύλωµα [8] ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΓΙΑ ΤΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ιαφράγµατα Όλες οι έρευνες µέχρι σήµερα έχουν γίνει µε θεώρηση άκαµπτων διαφραγµάτων. Στην πραγµατικότητα, όµως, τα διαφράγµατα έχουν και αξονική δυσκαµψία και κατανεµηµένες µάζες [8]. Έδαφος Ο ρόλος του εδάφους στο φαινόµενο δεν έχει µελετηθεί αρκετά. Ενώ η επίδρασή του είναι δεδοµένη ο τρόπος επιρροής δεν είναι ακόµη σαφώς προσδιορισµένος. Από τη µία το µαλακό έδαφος αυξάνει την περίοδο των κτιρίων και προκαλεί µεγαλύτερου πλάτους αποκρίσεις και άρα αυξάνει τις πιθανότητες συγκρούσεων [10] και από την άλλη µετά από ανάλυση δύο κτιρίων προέκυψε ότι ο συνυπολογισµός του µαλακού εδάφους ήταν ευνοϊκός διότι µείωσε την τέµνουσα βάσης και τη δύναµη πρόσκρουσης [11]. Τρεις διαστάσεις Μόνο δύο έρευνες µε τρισδιάστατο κτίριο έχουν πραγµατοποιηθεί µε αποτέλεσµα να µην έχει εξεταστεί ουσιαστικά το ενδεχόµενο επιβαλλόµενης στρέψης λόγω των συγκρούσεων, ενώ είναι γνωστό από τους ερευνητές ότι αποτελεί πιθανή αιτία δηµιουργίας µηχανισµού αστοχίας [8]. 3. ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΕΝΑ ΜΟΝΤΕΛΑ Παρ όλο που βρέθηκαν µοντέλα για να παρασταθεί το φαινόµενο της αλληλεπίδρασης των κατασκευών, δεν έχουν επισηµοποιηθεί απλοποιηµένα µοντέλα που µπορούν να χρησιµοποιηθούν από τον σχεδιαστή µηχανικό [8]. Από συγκριτική µελέτη ελαστικών και ανελαστικών αναλύσεων συµπεραίνεται ότι η ελαστική συµπεριφορά στις συγκρούσεις είναι πιο συντηρητική. Αυτό εξηγεί γιατί εφαπτόµενα κτίρια που έχουν διαφορετικές περιόδους και δεν διαχωρίζονται από αρµό συµπεριφέρθηκαν ικανοποιητικά στους προηγούµενους σεισµούς. Η απόκριση στην ανελαστική ανάλυση είναι µεγαλύτερη, αλλά η ταχύτητα, η επιτάχυνση και η δύναµη πρόσκρουσης πολύ µικρότερη. Επίσης, τα συµβάντα αλληλεπίδρασης στην ανελαστική ανάλυση είναι λιγότερα από ότι στην ελαστική [4]. Τελικά, η ανελαστική µελέτη είναι απαραίτητη για τον οικονοµικό σχεδιασµό της κατασκευής και αποτελεί το κατάλληλο εργαλείο για την µελέτη εύρεσης µεθόδου µείωσης της αλληλεπίδρασης εκτός τους αντισεισµικού αρµού [4] ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ ΠΛΑΚΩΝ Το µόνο εργαλείο διαθέσιµο στο µηχανικό είναι η µη γραµµική ανάλυση χρονοϊστορίας των δύο κτιρίων [8]. 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

14 Γεωργιάδης ηµήτρης, Γιούνη Ελισάβετ 3.2. ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ ΠΛΑΚΑΣ ΥΠΟΣΤΗΛΩΜΑΤΟΣ Για την εύρεση των απαιτήσεων πλαστιµότητας και διάτµησης στο υποστύλωµα επαφής πρέπει να γίνει µη γραµµική push-over ανάλυση στις δύο κατασκευές [8]. Και στις δύο περιπτώσεις τα αποτελέσµατα δεν ανταποκρίνονται στο απαιτούµενο επίπεδο λεπτοµέρειας και απαιτείται περαιτέρω µελέτη [8]. 4. ΕΥΑΛΩΤΑ ΚΤΙΡΙΑ Η αλληλεπίδραση κατασκευών λόγω σεισµού εξαρτάται από τις ιδιότητες της µεµονωµένης κατασκευής αλλά και σε σχέση µε τις ιδιότητες των γειτονικών της. Οι παρακάτω συνδυασµοί δυναµικών χαρακτηριστικών, δοµικής διάταξης και δοµικού τύπου κάνουν τις κατασκευές περισσότερο ευάλωτες στις συγκρούσεις (Σχήµα 5). Σχήµα 5: Περιπτώσεις ευάλωτων κτιρίων [8] 1. Κτίρια µε µεγάλη διαφορά µάζας Όταν η διαφορά µάζας είναι µεγάλη η ορµή που µεταφέρεται από το βαρύτερο κτίριο θα αυξήσει πολύ την ταχύτητα στο ελαφρύτερο και το ελαφρύ θα είναι ευάλωτο σε κατάρρευση [8]. 2. Κτίρια µε διαφορετικά ύψη Όταν δύο κτίρια µε διαφορετικά ύψη συγκρούονται η δυσκαµψία του χαµηλότερου καθορίζει το πώς θα επηρεαστούν αυτά από την πρόσκρουση. Εάν το χαµηλότερο είναι εύκαµπτο τότε βρίσκεται σε δυσµενέστερη κατάσταση λόγω της διαφοράς ιδιοπεριόδου και µάζας σε σχέση µε το ψηλότερο και µεγαλύτερο. Τα πράγµατα γίνονται δύσκολα για το ψηλότερο κτίριο όταν το χαµηλό είναι δύσκαµπτο µε µεγάλη µάζα. Τότε το επίπεδο σύγκρουσης του ψηλού συγκρατείται και η υπόλοιπη κατασκευή τραντάζεται µέχρι την κορυφή. Το τράνταγµα µπορεί να γίνει τόσο βίαιο που να είναι καταστροφικό. Αυτό προκαλεί µεγάλες απαιτήσεις σε διάτµηση και πλαστιµότητα στο ψηλότερο µέρος του κτιρίου, όπου οι τέµνουσες και οι ροπές ανατροπής είναι πολύ µεγαλύτερες από ότι θα ήταν χωρίς την αλληλεπίδραση. Η σύγκρουση µειώνει την οριζόντια απόκλιση κορυφής καθ όλο το ύψος της κατασκευής. Οι συγκρούσεις στα υψηλότερα επίπεδα µειώνουν προοδευτικά την οριζόντια απόκριση της κατασκευής και παράλληλα αυξάνουν την τέµνουσα βάσης. Αυτό συµβαίνει διότι η ταχύτητα ταλάντωσης του κτιρίου αυξάνεται προς την κορυφή και εποµένως αυτές οι µεγαλύτερες ταχύτητες οδηγούν σε µεγαλύτερες δυνάµεις πρόσκρουσης ([6], [15]). 3. Εξωτερικά κτίρια συνεχούς κτιριακού συστήµατος Το συνεχές κτιριακό σύστηµα αποτελεί την κυρίαρχη πρακτική σε µεγάλες πόλεις, όπου το κάθε κτίριο είναι σε πλήρη ή µερική επαφή σε µία ή στις δύο απέναντι πλευρές µε τα γειτονικά κτίρια. Σε αυτήν την περίπτωση, τα εξωτερικά κτίρια θα υποφέρουν λόγω της ορµής που θα µεταφερθεί από τα εσωτερικά, ενώ τα εσωτερικά 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

15 Συγκρούσεις Παρακείµενων Κατασκευών Λόγω Σεισµικής Αλληλεπίδρασης θα υποστούν ελάχιστη ζηµιά. Αυτό µπορεί να έχει µια εύληπτη εξήγηση: ένα ακριανό κτίριο ενώ χτυπά από τη µία πλευρά από την άλλη είναι ελεύθερο να ταλαντωθεί. Το ίδιο συµβαίνει και σε γωνιακά κτίρια όπου οι συγκρούσεις συµβαίνουν σε δύο κατακόρυφες διευθύνσεις. Εάν ένα κτίριο βρίσκεται ανάµεσα σε δύο άλλα θα προσκρούσει και στις δύο πλευρές µε αποτέλεσµα να περιορίζεται η κίνησή του και στις δύο διευθύνσεις. Αποτελεί παρόµοιο σενάριο µε την κούνια του Νεύτωνα [12]. 4. Σύγκρουση πλάκας υποστυλώµατος Η σύγκρουση πλάκας υποστυλώµατος συµβαίνει σε διπλανά κτίρια που έχουν διαφορετικό ύψος ορόφων και σε κτίρια που βρίσκονται σε έδαφος µε κλίση και οι στάθµες των πλακών διαφέρουν. Σε κάθε περίπτωση εµβολισµού το υποστύλωµα βρίσκεται σε κρίσιµη κατάσταση διατµητικής αστοχίας και συχνά οι απαιτήσεις πλαστιµότητας υπερβαίνονται. Όταν υπάρχει δε επαφή των κτιρίων έχουµε και καµπτική αστοχία. Αξίζει να σηµειωθεί, όµως, ότι µεγάλη αύξηση στους ορόφους του ψηλού κτιρίου έχει ως αποτέλεσµα το µέγεθος των αναπτυσσόµενων απαιτήσεων σε πλαστιµότητα και διατµητική αντοχή του υποστυλώµατος που δέχεται την πρόσκρουση να µειωθεί σηµαντικά. Η µείωση αυτή ήταν αρκετή ώστε τελικά οι αναπτυσσόµενες απαιτήσεις να µην επηρεάζονται από την αλληλεπίδραση των κατασκευών [13]. 5. Στρεπτική δράση λόγω αλληλεπίδρασης Κάποιες διατάξεις ή η ίδια η ασυµµετρία της κατασκευής µπορούν να τη προκαλέσουν. 6. Κτίρια από ψαθυρά υλικά Η µη ενισχυµένη τοιχοποιία είναι ιδιαίτερα ευάλωτη σε οποιοδήποτε οριζόντιο φορτίο. Η πολύ υψηλή στιγµιαία δύναµη λόγω της σύγκρουσης µπορεί να προκαλέσει εκρηκτική αστοχία των ψαθυρών δοµικών στοιχείων [8]. Τα κτίρια που είναι επιρρεπή στις συγκρούσεις εάν δεν ικανοποιούν τα παραπάνω κριτήρια θα επιβιώσουν κατά τη διάρκεια ενός µεγάλου σεισµού [8]. 5. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΛΕΤΕΣ Εξαιτίας του κόστους των καταστρεπτικών πειραµάτων, µόλις τέσσερα πειράµατα έχουν πραγµατοποιηθεί. Τα δείγµατα είναι κτίρια ίδιου ύψους και διαφορετικής δυσκαµψίας που τοποθετούνται σε σεισµική τράπεζα και διεγείρονται κατά το πλείστον από ηµιτονοειδής διεγέρσεις. Τα συµπεράσµατα των πειραµάτων συνέκλιναν στο ότι οι εύκαµπτες κατασκευές είναι πιο ευάλωτες από τις δύσκαµπτες. Επιπλέον, παρατηρήθηκε ότι κατά την αλληλεπίδραση η απόκριση των εύκαµπτων µειωνόταν και των δύσκαµπτων αυξανόταν. Τα αποτελέσµατα από τις µετρήσεις επιβεβαίωσαν αυτά που είχαν προβλεφθεί από τις αναλυτικές µελέτες που έκανε ο κάθε µελετητής, µε εξαίρεση της µελέτης που το στοιχείο επαφής προσοµοιώθηκε µε γραµµικό ελαστικό ελατήριο και οι τιµές της επιτάχυνσης δεν συνέκλιναν µε τις πραγµατικές [14]. 6. ΑΜΒΛΥΝΣΗ ΤΗΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗΣ Οι µέθοδοι άµβλυνσης της αλληλεπίδρασης µπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα µε τον τρόπο που προσεγγίζουν το πρόβληµα. Έτσι διακρίνονται σε αυτές που στόχο έχουν: την αποφυγή των συγκρούσεων την ενίσχυση της κατασκευής την βελτίωση της συµπεριφοράς των κατασκευών κατά την αλληλεπίδραση 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

16 Γεωργιάδης ηµήτρης, Γιούνη Ελισάβετ 6.1. ΑΠΟΦΥΓΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ Η αποφυγή ή περιορισµός των συγκρούσεων επιτυγχάνεται µε δύο τρόπους µε την εφαρµογή του αντισεισµικού αρµού και µε την αύξηση της δυσκαµψίας της κατασκευής ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΟΣ ΑΡΜΟΣ Το ελάχιστο επιτρεπτό διάκενο για να αποφευχθεί η σύγκρουση είναι το άθροισµα των µέγιστων µετατοπίσεων των ανεξάρτητων αποκρίσεων των δύο κατασκευών. Όµως, επειδή είναι απίθανο να συµβεί αυτό ταυτόχρονα ένα µικρότερο κενό θα ήταν αρκετό για να αποφευχθεί η πρόσκρουση. Η τεχνική SRSS που βασίζεται στην θεωρία των τυχαίων δονήσεων, αναφέρεται στην τετραγωνική ρίζα του αθροίσµατος των τετραγώνων των µεγίστων σεισµικών µετακινήσεων των δύο κτιρίων και έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσµατική από τις αναλυτικές µελέτες που έχουν γίνει ([1], [8]). Επίσης, η χρήση κάποιου µαλακού υλικού στα κενά µεταξύ των κατασκευών µπορεί να αποσβέσει αρκετά τις συγκρούσεις. Αυτό βέβαια δεν πρέπει να χρησιµοποιηθεί ως µηχανισµός µείωσης της απόκρισης της ταλάντωσης [12] ΑΥΞΗΣΗ ΤΗΣ ΥΣΚΑΜΨΙΑΣ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Αυξάνοντας τη δυσκαµψία του κτιρίου µειώνουµε το εύρος ταλάντωσής του και εξασφαλίζοντας ικανοποιητικό κενό µειώνουµε τις αρνητικές συνέπειες της αλληλεπίδρασης. Επίσης, µπορούµε να ρυθµίσουµε τα δυναµικά χαρακτηριστικά των δύο κατασκευών ώστε να ταλαντώνονται στην ίδια φάση και έτσι να αποφευχθούν οι προσκρούσεις [8] ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Η ενίσχυση της κατασκευής επιτυγχάνεται µε δύο τρόπους, µε την ενίσχυση στοιχείων της κατασκευής και µε συµπληρωµατική απόσβεση ενέργειας ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Σε αυτήν την περίπτωση στα πιθανά σηµεία αλληλεπίδρασης ενισχύουµε εκείνα τα στοιχεία που µπορεί να αστοχήσουν λόγω των συγκρούσεων, όπως τα ακραία υποστυλώµατα [18] ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΗ ΑΠΟΣΒΕΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η απόκριση των κατασκευής ελέγχεται µε παθητικές ή ενεργητικές µηχανές που αυξάνουν την απόσβεση της και βελτιώνουν συνολικά τη συµπεριφορά της. Επίσης, σε περίπτωση πολύ υψηλής απόσβεσης τα γειτονικά κτίρια ταλαντώνονται εντός φάσης παρόλο που έχουν διαφορετικές ιδιοπεριόδους [4] ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Η συµπεριφορά των κατασκευών µπορεί να βελτιωθεί είτε µε τη χρήση στοιχείων πρόσκρουσης είτε µε την ένωση των κτιρίων ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΡΟΣΚΡΟΥΣΗΣ Με αυτό το µέτρο στα σηµεία σύγκρουσης δηµιουργούµε µεγάλα και δυνατά τοιχεία που θα δεχτούν την δύναµη πρόσκρουσης βελτιώνοντας την συµπεριφορά της κατασκευής [18] ΕΝΩΣΗ ΚΤΙΡΙΩΝ Σε αυτήν την περίπτωση ενώνουµε τα κτίρια µε αποσβεστήρες ενέργειας για να 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

17 Συγκρούσεις Παρακείµενων Κατασκευών Λόγω Σεισµικής Αλληλεπίδρασης µειώσουµε ην σοβαρότητα των συγκρούσεων (Σχήµα 6). Αυτή η µέθοδος όµως φέρνει πολλά τεχνικά και µη προβλήµατα. Κτίρια µε µικρό κενό ανάµεσα δεν διαθέτουν χώρο για την εγκατάσταση των στοιχείων απόσβεσης. Επίσης, αλλάζει η κατανοµή του φορτίου και οι δυναµικές ιδιότητες των κατασκευών και άρα οι απαιτήσεις των δοκών και υποστυλωµάτων σε όλη την κατασκευή. Τέλος, η ένωση κτιρίων µε διαφορετικούς ιδιοκτήτες αποτελεί κοινωνικό και νοµοθετικό εµπόδιο γιατί θα απαιτηθούν αλλαγές και στα δύο κτίρια [8]. Σχήµα 6: Ένωση κτιρίων, Triton square office complex (2001) 7. ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗΣ Σε έρευνα όπου µελετήθηκε η πιθανότητα εµφάνισης της αλληλεπίδρασης σε σχέση µε την ιδιοπερίοδο της κατασκευής και το λόγο των ιδιοπεριόδων γειτονικών κτιρίων, παρατηρήθηκε ότι όσο οι περίοδοι των κατασκευών διαφοροποιούνται τόσο µειώνεται και η πιθανότητα σύγκρουσης. Επίσης, η πιθανότητα αλληλεπίδρασης κτιρίων µε ίδιο ύψος είναι µεγαλύτερη από ότι µε διαφορετικό. Το πιο πιθανό σενάριο αλληλεπίδρασης είναι διπλανά κτίρια µε περιόδους παρόµοιες αλλά όχι ίσες και συγχρόνως κοντά στην περίοδο του εδάφους. Συµπερασµατικά, η εµφάνιση των ακίνδυνων και ελαφρών µορφών συγκρούσεων είναι πολύ πιο πιθανή από ότι των επικίνδυνων και καταστρεπτικών. Αυτός είναι και ένας λόγος για τον οποίο τα σοβαρά περιστατικά αλληλεπίδρασης που παρατηρούνται στους µεγάλους σεισµούς δεν είναι πάρα πολλά [16]. Εντούτοις, τα κτίρια ευάλωτα στην αλληλεπίδραση σε µία σεισµογενή χώρα όπως η Ελλάδα, πρέπει να προστατεύονται από αυτό το φαινόµενο το οποίο µπορεί να αποβεί καταστροφικό για αυτά, διαφορετικά ο σχεδιασµός τους δεν είναι υπέρ της ασφάλειας. 8. ΣΥΣΤΑΣΕΙΣ ΚΩ ΙΚΩΝ Οι κανονισµοί ΕΚ8 και ΕΑΚ προτείνουν για την αποφυγή της αλληλεπίδρασης δηµιουργία αντισεισµικού αρµού. Συγκεκριµένα αναφέρουν: EΚ8 Για κτίρια που δεν ανήκουν στο ίδιο οικόπεδο, η απόσταση από την γραµµή του οικοπέδου πρέπει να είναι µεγαλύτερη από την µέγιστη οριζόντια µετατόπιση d s 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

18 Γεωργιάδης ηµήτρης, Γιούνη Ελισάβετ (όπου d s = q*d e, όπου q ο συντελεστής συµπεριφοράς της κατασκευής και d e η ελαστική µετατόπιση του κτιρίου κατά το σεισµό σχεδιασµού). Για κτίρια που ανήκουν στο ίδιο οικόπεδο, η απόσταση µεταξύ τους πρέπει να είναι µεγαλύτερη από τη ρίζα του αθροίσµατος των τετραγώνων των δύο µέγιστων οριζόντιων µετατοπίσεων των κτιρίων. Εάν το ύψος των ορόφων του υπό σχεδιασµού κτιρίου είναι ίδιο µε αυτό του διπλανού κτιρίου, τότε η ελάχιστη απόσταση µπορεί να µειωθεί κατά 0,7. ΕΑΚ Στην περίπτωση όπου υπάρχει πιθανότητα εµβολισµού υποστυλωµάτων του ενός κτιρίου από πλάκες ή άλλα στοιχεία του παρακειµένου, το προστατευτικό µέτρο είναι η πρόβλεψη σεισµικού αρµού πλήρους διαχωρισµού. Αν δεν γίνει ακριβέστερος υπολογισµός ο σεισµικός αρµός πλήρους διαχωρισµού µπορεί να έχει εύρος ίσο µε την τετραγωνική ρίζα του αθροίσµατος των τετραγώνων των µεγίστων σεισµικών µετακινήσεων ( =q ελ ) των δύο κτιρίων στις θέσεις των επικίνδυνων υποστυλωµάτων, συµπεριλαµβανοµένης και της επίδρασης της στροφής περί τον κατακόρυφο άξονα. Όταν δεν υπάρχει πιθανότητα εµβολισµού υποστυλωµάτων σε κανένα από τα δύο κτίρια, µπορεί να καθορίζεται µε βάση τον συνολικό αριθµό των υπέρ το έδαφος εν επαφή ορόφων ως εξής: 4 cm για επαφή µέχρι και 3 ορόφους 8cm για επαφή από 4 έως 8 ορόφους 10cm για επαφή σε περισσότερους από 8 ορόφους Ο ΚΑΝ.ΕΠΕ. προτείνει για την ενίσχυση των κατασκευών: ΚΑΝ.ΕΠΕ. Σε περιπτώσεις κατά τις οποίες µεταξύ γειτονικών κτιρίων δεν υπάρχει απόσταση µεγαλύτερη του εύρους του αντισεισµικού αρµού υπολογισµένου σύµφωνα µε τον ΕΚ8-1 και δεν υπάρχει πιθανότητα εµβολισµού υποστυλώµατος από πλάκα, δεν είναι αναγκαία η λήψη ειδικότερων µέτρων έναντι σύγκρουσης. Όταν υπάρχει πιθανότητα εµβολισµού υποστυλώµατος από πλάκα, συνίσταται η ενίσχυση των ως άνω ακραίων υποστυλωµάτων σε ολόκληρο το ύψος τους µέχρι τη θεµελίωση αυξάνοντας 100% τη σεισµική ένταση ανασχεδιασµού των εν λόγω υποστυλωµάτων. Εναλλακτικά, συνίσταται η εµφάτνωση κατάλληλου τοιχώµατος ή πτερυγίου πίσω από τα υπό κρούση ακραία υποστυλώµατα, µέσα στο πρώτο φάτνωµα κατά τη διεύθυνση της πιθανολογούµενης κρούσης. Στην περίπτωση οµόρων κτιρίων µε διαφορά αριθµού ορόφων ίση ή µεγαλύτερη από 2 ή του 50% συνίσταται να λαµβάνεται υπόψη το ενδεχόµενο της εντός ή εκτός φάσης σεισµικής σύγκρουσης. Προς τούτου κατά την ενίσχυση οποιουδήποτε από τα δύο αυτά κτίρια, είναι δυνατόν αν λαµβάνεται υπόψη το εν λόγω ενδεχόµενο αυξάνοντας κατά 50% τη συνολική σεισµική ένταση ανασχεδιασµού του κτιρίου. 9. ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΜΕΤΡΩΝ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗΣ Για σκοπούς σχεδιασµού των τελευταίων προτάσεων µείωσης του φαινοµένου της αλληλεπίδρασης, βασική προϋπόθεση είναι η γνώση του µεγέθους της δύναµης σύγκρουσης που αναµένεται κατά τη διάρκεια του σεισµού. Η εύρεση της δύναµης είναι αρκετά περίπλοκη γιατί απαιτεί την ανάλυση και των δύο κατασκευών. Εναλλακτικά, µπορεί να χρησιµοποιηθεί το φάσµα της δύναµης πρόσκρουσης που έχει προταθεί από τελευταία έρευνα και περιλαµβάνει τρισδιάστατα διαγράµµατα της ενδεχόµενης δύναµης σε συνάρτηση µε τους κύριους προάγοντες που την επηρεάζουν. Οι παράγοντες αυτοί είναι η δοµική διάταξη, το ενδιάµεσο κενό, η απόσβεση, η µάζα και η πλαστιµότητα των δύο κατασκευών [17]. Μέχρι τώρα δεν 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

19 Συγκρούσεις Παρακείµενων Κατασκευών Λόγω Σεισµικής Αλληλεπίδρασης υπάρχει κάποια πρόταση από τους κανονισµούς για τον υπολογισµό αυτής της δύναµης. Η καθοδήγηση των κανονισµών για τη διαστασιολόγηση των στοιχείων που θα δεχτούν τις συγκρούσεις είναι µόνο από τον ΚΑΝ.ΕΠΕ. όπου προτείνει αύξηση της σεισµικής έντασης κατά 100% για τα υποστυλώµατα που θα δεχθούν τη δύναµη, 50% αύξηση της σεισµικής έντασης για τη διαστασιολόγηση ανασχεδιασµού κτιρίων µε σηµαντική διαφορά ύψους, ενώ δεν αναφέρει κάτι για τον σχεδιασµό των τοιχείων πρόσκρουσης που προτείνει. Β. ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΓΕΙΤΟΝΙΚΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ ΜΕ SAP ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Εξετάζεται η περίπτωση αλληλεπίδρασης δύο κτιρίων µε ίδιο ύψος ορόφων αλλά µε διαφορετικό συνολικό ύψος. Αυτό σηµαίνει πως η πιθανή σύγκρουση µπορεί να γίνει µόνο στις στάθµες των πλακών (σύγκρουση πλάκα µε πλάκα). ηµιουργήθηκαν µοντέλα στις δύο διαστάσεις x, z. Οι κύριοι παράγοντες που καθορίζουν τον κίνδυνο των συγκρούσεων είναι ο τύπος των κτιρίων, η επιτάχυνση του εδάφους, το είδος του εδάφους και η απόσταση µεταξύ των κτιρίων. Στη συγκεκριµένη ανάλυση θεωρούµε: Τύπος κτιρίων: Έχουµε ένα 7όροφο κτίριο (κτίριο 1) συνολικού ύψους 21m και ένα 3όροφο κτίριο (κτίριο 2) ύψους 9m (σχήµα 7). Πρόκειται για πλαισιακές κατασκευές από οπλισµένο σκυρόδεµα µε ίσα ανοίγµατα 6m και ίσα ύψη ορόφων 3m. Επιτάχυνση εδάφους: Η επιτάχυνση του εδάφους ενεργεί µόνο στην διεύθυνση x και θεωρούµε ότι µετακινήσεις και στροφές εκτός επιπέδου x, z είναι αµελητέες. Είδος εδάφους: Χάριν απλότητας οι ιδιότητες του εδάφους δεν λήφθηκαν υπόψη στην συγκεκριµένη εργασία. Απόσταση µεταξύ των κτιρίων: Αναλύθηκαν 3 διαφορετικά µοντέλα όπου τα κτίρια: α) βρίσκονται εξαρχής σε επαφή (e=0 cm), β) έχουν ενδιάµεση απόσταση ορισµένη από ΕΑΚ (e=4 cm) (βλ. 3), γ) βρίσκονται στην ελάχιστη δυνατή απόσταση όπου δεν αλληλεπιδρούν (e=8 cm). Σχήµα 7: Μόρφωση κτιρίων 1,2 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

20 Γεωργιάδης ηµήτρης, Γιούνη Ελισάβετ 2. ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΤΙΡΙΩΝ Τα δύο κτίρια σχεδιάστηκαν σύµφωνα µε τον ΕΚΩΣ και τον ΕΑΚ. Για τα κατακόρυφα φορτία έγινε γραµµική ελαστική ανάλυση για τους εξής συνδυασµούς φόρτισης: Οριακή κατάσταση αστοχίας: 1,35G+1,5Q Οριακή κατάσταση λειτουργικότητας: G+Q Για τα οριζόντια φορτία (σεισµική φόρτιση) έγινε µια ισοδύναµη γραµµική φασµατική ανάλυση όπου εφαρµόστηκαν οι εξής παράµετροι: Μέγιστη επιτάχυνση εδάφους 0,24g Τύπος εδάφους Β Συντελεστής συµπεριφοράς της κατασκευής q=3,5 Τελικώς τα κτίρια σχεδιάστηκαν µε κατακόρυφα στοιχεία διαστάσεων 45x45 cm και οριζόντια στοιχεία διαστάσεων 30x45 cm. Ο οπλισµός λήφθηκε υπόψη δηµιουργώντας ισοδύναµες δυσκαµψίες στα µέλη. Συγκεκριµένα, για τις αναλύσεις των οριζόντιων δράσεων ο ΕΑΚ προτείνει οι δυσκαµψίες των στοιχείων να υπολογίζονται µε παραδοχή σταδίου ΙΙ (ρηγµατωµένες διατοµές). Για τα υποστυλώµατα η δυσκαµψία επιτρέπεται να λαµβάνεται ίση µε αυτήν του σταδίου Ι, χωρίς τον συνυπολογισµό της συµβολής του οπλισµού, ενώ για τα δοκάρια ίση µε το 1/2 του σταδίου Ι, χωρίς τον συνυπολογισµό της συµβολής του οπλισµού. Επιπλέον οι σεισµικές αποκρίσεις έχουν ελεγχθεί και δεν παρουσιάζονται φαινόµενα 2 ης τάξης. Οι µέγιστες σεισµικές αποκρίσεις από την φασµατική ανάλυση ανά όροφο φαίνονται στον πίνακα 1. Όροφος Μετακίνηση (m) Κτίριο 1 Κτίριο 2 7 0, , , , ,024 0, ,014 0, ,005 0,005 Πίνακας 1: Μέγιστες σεισµικές αποκρίσεις ανά όροφο 3. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΕΙΣΜΙΚΟΥ ΑΡΜΟΥ Όλοι οι κώδικες προτείνουν ακριβή υπολογισµό της απόστασης του κενού για την πλήρη αποφυγή συγκρούσεων µε βάση την φασµατική ανάλυση. Στην συγκεκριµένη ανάλυση έχουµε: e=d1+d2=0,04m, όπου d1=0,024m η µέγιστη απόκριση του κτιρίου 1 στον 3 ο όροφο και d2= 0,018m η µέγιστη απόκριση του κτιρίου 2 στον 3 ο όροφο. Σε περίπτωση όπου δεν γίνεται ακριβής υπολογισµός οι κώδικες προτείνουν: ΕΑΚ: για επαφή µέχρι και 3 ορόφους 0,04m. ΕΚ8: SRSS= (d12+d22)=0,03 m και επειδή έχουµε ίδια ύψη ορόφων η τιµή µειώνεται κατά 30%, δηλαδή περίπου 0,02m. Επιλέγουµε για την ανάλυση την τιµή του ΕΑΚ ως πιο συντηρητική. 4. ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗΣ 4.1. ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΙΕΓΕΡΣΗ Η ανάλυση του φαινοµένου της αλληλεπίδρασης των κτιρίων έγινε µε την µέθοδο της ανελαστικής δυναµικής ανάλυσης χρονοϊστορίας. Η σεισµική διέγερση που 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

21 Συγκρούσεις Παρακείµενων Κατασκευών Λόγω Σεισµικής Αλληλεπίδρασης χρησιµοποιήθηκε είναι ο σεισµός του El Centro διάρκειας 30 δευτερολέπτων, που συνέβη στο Mexico το 1940, µε µέγιστη σεισµική επιτάχυνση 0,32g. Το επιταχυνσιογράφηµα φαίνεται στο σχήµα 8. Ο συντελεστής απόσβεσης λήφθηκε ως ξ=0,05. 0,4 0,3 0,2 Επιτάχυνση (g) 0,1 0-0,1 0 1,22 2,44 3,67 4,89 6,11 7,33 8,55 9, ,2 13,4 14,7 15,9 17,1 18,3 19,6 20, ,2 24,4 25,7 26,9 28,1 29,3 30,6 31,8-0,2-0,3-0,4 Χρόνος (s) Σχήµα 8: Επιταχυνσιογράφηµα El Centro ΠΑΡΑ ΟΧΕΣ Κατά την σεισµική διέγερση τα φαινόµενα σύγκρουσης των δύο κτιρίων µπορεί να συµβούν σε κάθε όροφο στο ύψος της πλάκας. Συγκεκριµένα έχουµε 3 πιθανά σηµεία σύγκρουσης, στον 1 ο, 2 ο και 3 ο όροφο. Η µοντελοποίηση του φαινοµένου της σύγκρουσης γίνεται µε την βοήθεια κάποιων συνδέσµων (στοιχεία επαφής) τα οποία το SAP ονοµάζει gap links. Πρόκειται για ελατήρια τα οποία ενεργοποιούνται µόνο σε θλίψη όταν η συνολική απόκριση των κτιρίων ξεπεράσει το ενδιάµεσο κενό (σχήµα 9). Αυτό σηµαίνει ότι τα κτίρια µπορούν ελεύθερα να αποµακρυνθούν το ένα µε το άλλο (σχήµα 10). Η δυσκαµψία του ελατηρίου θεωρήθηκε ίση µε kn/m, τιµή που χρησιµοποίησαν οι Maison, Kasai [1] και βρίσκεται εντός ορίων τιµών που προτείνει το Sap [19]. Τέλος, θεωρούµε ότι σε κάθε στάθµη ορόφου υπάρχουν πλάκες από οπλισµένο σκυρόδεµα οι οποίες επιβάλλουν διαφραγµατική λειτουργία. Έτσι οι δυνάµεις κρούσης κατανέµονται σε όλα τα µέλη που συνδέονται µε την στάθµη ορόφου. 5. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Έγιναν συνολικά 3 αναλύσεις χρονοϊστορίας, µια για κάθε περίπτωση απόστασης των κτιρίων: α) 0cm, β) 4cm και γ) 8cm. Φαινόµενα αλληλεπίδρασης παρατηρήθηκαν µόνο στις περιπτώσεις α και β, ενώ στην περίπτωση γ τα κτίρια ταλαντώνονταν ανεξάρτητα. Τα παρακάτω αποτελέσµατα αφορούν το κτίριο 1, καθώς το κτίριο 2 ως πιο δύσκαµπτο θεωρούµε ότι έχει µικρές επιπτώσεις από τις συγκρούσεις ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΕΙΣ Στο σχήµα 11 βλέπουµε την µέγιστη µετατόπιση ανά όροφο του κτιρίου 1 για τις 3 περιπτώσεις. Στην αριστερή πλευρά όπου υπάρχει ελευθερία κίνησης, δεν παρατηρούνται σηµαντικές διαφορές. Αντίθετα, στην δεξιά πλευρά οι διαφορές είναι πιο έντονες. Η απόκριση στην περίπτωση µηδενικού κενού είναι η µικρότερη 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

22 Γεωργιάδης ηµήτρης, Γιούνη Ελισάβετ Σχήµα 9: Λειτουργία των στοιχείων επαφής κατά την σύγκρουση των κτιρίων Σχήµα 10: Λειτουργία των στοιχείων επαφής κατά την αποµάκρυνση των κτιρίων εφόσον εµποδίζεται από το κτίριο 2. Στο σηµείο σύγκρουσης (όροφος 3) έχουµε µέγιστη απόκριση στην ελεύθερη ταλάντωση, και ελάχιστη στο µηδενικό κενό όπως αναµενόταν. Στην κορυφή (όροφος 7) µέγιστη µετακίνηση έχουµε στην περίπτωση κενού 4cm, µε µικρή διαφορά σε σχέση µε τις άλλες περιπτώσεις. Στο σχήµα 12 βλέπουµε την απόκριση του 3 ου ορόφου του κτιρίου 1 καθ όλη την διάρκεια του σεισµού για τις 3 περιπτώσεις. Στον 3 ο όροφο παρατηρούµε ότι για µηδενική απόσταση µεταξύ των κτιρίων έχουµε µετατόπιση του διαγράµµατος προς τα κάτω. Αυτό σηµαίνει αύξηση των µετατοπίσεων προς τα αριστερά και µείωση προς τα δεξιά λόγω του κτιρίου 2 που το εµποδίζει. Στο σχήµα 13 βλέπουµε αντίστοιχα τις µετατοπίσεις για τον 7 ο όροφο. Οι διαφορές στις µετατοπίσεις του 7 ου ορόφου δεν είναι σηµαντικές. 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

23 Συγκρούσεις Παρακείµενων Κατασκευών Λόγω Σεισµικής Αλληλεπίδρασης Όροφος ,15-0,1-0,05 0 0,05 0,1 0,15 Μετακινήσεις (m) Σχήµα 11: Μέγιστες αποκρίσεις καθ ύψος του κτιρίου 1 0m 0,04m 0,08m 0,08 0,06 0,04 Μετατόπιση (m) 0,02 0-0,02 0 1,3 2,6 3,9 5,2 6,5 7,8 9,1 10,4 11, ,3 15,6 16,9 18,2 19,5 20,8 22,1 23,4 24, ,3 28,6 29,9 31,2 0m 0,04m 0,08m -0,04-0,06-0,08 Χρόνος (s) Σχήµα 12: Απόκριση 3 ου ορόφου, κτιρίου 1 κατά την διάρκεια του σεισµού 0,15 0,1 Μετατόπιση (m) 0,05 0-0,05 0 1,21 2,42 3,62 4,83 6,04 7,25 8,46 9,66 10,9 12,1 13,3 14,5 15,7 16,9 18,1 19,3 20,5 21, ,2 25,4 26,6 27, ,2 31,4 0m 0,04m 0,08m -0,1-0,15 Χρόνος (s) Σχήµα 13: Απόκριση 7 ου ορόφου, κτιρίου 1 κατά την διάρκεια του σεισµού 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

24 Γεωργιάδης ηµήτρης, Γιούνη Ελισάβετ 5.2. ΤΕΜΝΟΥΣΑ ΥΝΑΜΗ Η σύγκρουση των κτιρίων αυξάνει σηµαντικά την τέµνουσα δύναµη που δρα στο κτίριο 1, και η κατανοµή της φαίνεται στο σχήµα 14. Τα υποστυλώµατα που καταπονούνται περισσότερο είναι αυτά του 1ου ορόφου και αυτά των ορόφων πάνω από το επίπεδο πρόσκρουσης. Στον 1 ο όροφο η δυσµενέστερη περίπτωση είναι αυτή κατά την οποία δεν υπάρχει κενό ανάµεσα στα κτίρια, όπου η τέµνουσα βάσης διπλασιάζεται. Στους ορόφους πάνω από το σηµείο πρόσκρουσης, παρατηρούµε µεγάλες αυξήσεις των τεµνουσών λόγω του τραντάγµατος. Στον 4 ο όροφο έχουµε µέγιστη τέµνουσα για την περίπτωση κενού 4cm. Στους ορόφους 6 και 7 η δυσµενέστερη περίπτωση είναι αυτή του µηδενικού κενού που προκαλεί διπλασιασµό της τέµνουσας. Παρατηρούµε ότι και στις δύο περιπτώσεις αλληλεπίδρασης τα αποτελέσµατα είναι δυσµενή. Ο αντισεισµικός αρµός των 4cm που πρότεινε ο ΕΑΚ δεν απέτρεψε τελικά τις συγκρούσεις µεταξύ των κατασκευών. Ειδικά στον 4 ο όροφο αυτή η περίπτωση είναι και η δυσµενέστερη. 7 6 Όροφος m 0,04m 0,08m Τέµνουσα ύναµη (kn) Σχήµα 14: Μέγιστες τέµνουσες δυνάµεις καθ ύψος του κτιρίου ΥΝΑΜΗ ΠΡΟΣΚΡΟΥΣΗΣ Ο πίνακας 2 περιέχει τις µέγιστες δυνάµεις πρόσκρουσης στις στάθµες των τριών πρώτων ορόφων. Παρατηρείται ότι στην περίπτωση µηδενικής απόστασης η δύναµη πρόσκρουσης αυξάνεται όσο ανεβαίνουµε επίπεδο. Αυτό ήταν αναµενόµενο δεδοµένου ότι στους ψηλότερους ορόφους έχουµε και µεγαλύτερη ορµή. Επίσης φαίνεται ότι η δύναµη πρόσκρουσης αυξάνεται όσο η απόσταση των κτιρίων µειώνεται. Τα µηδενικά υποδεικνύουν ότι δεν υπήρξε επαφή στον συγκεκριµένο όροφο κατά την διάρκεια του σεισµού. Όροφος ύναµη Πρόσκρουσης (kn) e=0cm e=4cm e=8cm ,4 1037, , ,1 0 0 Πίνακας 2: ύναµη πρόσκρουσης ανά όροφο 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

25 Συγκρούσεις Παρακείµενων Κατασκευών Λόγω Σεισµικής Αλληλεπίδρασης Γ.ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η αλληλεπίδραση παρακείµενων κατασκευών είναι ένα φαινόµενο που παρατηρείται όταν ισχυροί σεισµοί πλήττουν µεγάλες πόλεις και πυκνοκατοικηµένες περιοχές. Η µελέτη του έχει απασχολήσει πολλούς µελετητές τα τελευταία 20 χρόνια, οι οποίοι αντιπαρατίθενται σε κάποιο βαθµό. Στα σηµεία που συµφωνούν, όµως, είναι ότι πρόκειται για ένα πολύπλοκο πρόβληµα που απαιτεί ακόµα αρκετή µελέτη και έρευνα, και το οποίο όταν αµελείται στο σχεδιασµό των κτιρίων οδηγεί σε µη συντηρητικές κατασκευές. Οι κώδικες δεν βοηθούν, όµως, σε αυτό εφόσον προτείνουν γενικευµένες παραδοχές που δεν καλύπτουν τις διάφορες περιπτώσεις αλληλεπίδρασης και δεν καθοδηγούν καθόλου τους µηχανικούς για κάποια σχετική ανάλυση. Σε αυτό οφείλεται και το γεγονός ότι δεν έχουν επισηµοποιηθεί απλοποιηµένα µοντέλα για την εξιδανίκευση των συγκρούσεων. Εντούτοις, από τα πορίσµατα ερευνών µπορούν να αντληθούν χρήσιµες οδηγίες για την προστασία και ενίσχυση κτιρίων που είναι ευάλωτα στην αλληλεπίδραση. Τα αποτελέσµατα των αναλύσεων χρονοϊστορίας που πραγµατοποιήθηκαν για την περίπτωση αλληλεπίδρασης δύο κτιρίων ίδιου ύψους ορόφων και διαφορετικού συνολικού ύψους για ενδιάµεσο κενό 0 cm, 4 cm και 8 cm, οδήγησαν στα παρακάτω συµπεράσµατα: το ψηλό και εύκαµπτο κτίριο είναι το ευάλωτο όταν αλληλεπιδρά µε κοντό και δύσκαµπτο. η µεγαλύτερη µεταβολή στην απόκριση του ψηλού κτιρίου παρατηρήθηκε στην περίπτωση µηδενικού κενού µεταξύ των κατασκευών, όπου είχαµε µείωση συγκριτικά µε αυτήν της ελεύθερης ταλάντωσης. η επίδραση των συγκρούσεων προκάλεσε µεγάλη αύξηση (έως και διπλασιασµό) των τεµνουσών δυνάµεων στο επίπεδο του ισογείου και στα επίπεδα πάνω από την στάθµη επαφής των κτιρίων (3 ος όροφος). η δύναµη πρόσκρουσης µειώθηκε µε την αύξηση του κενού µεταξύ των κατασκευών. το προτεινόµενο µήκος αντισεισµικού αρµού του ΕΑΚ (4 cm) αποδείχθηκε ανεπαρκές για την αποφυγή των προσκρούσεων για έναν πιθανό µεγάλο σεισµό. Μάλιστα, στο επίπεδο 4 ου ορόφου προκάλεσε τη µεγαλύτερη διατµητική δύναµη από τις εξεταζόµενες περιπτώσεις.. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Bruce F. Maison and Kazuhiko Kasai, Dynamics of pounding when two buildings collide, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 21, (1992) [2] Robert Jankowski, Earthquake induces pounding between equal height buildings with substantially different dynamic properties, Engineering Structures 30 (2008) [3] V. Jeng and W.L. Tzeng, Assessment of seismic pounding hazard for Tapei City, Engineering Structures 22 (2000) [4] C.P. Pantelides and X. Ma, Linear and nonlinear pounding of structural systems, Computers & Structures Vol.66, No 1, pp [5] Cole,Dhakal,Carr,Bull, Case studies of observed pounding damage during the 2010 Darfield earthquake, Ninth Pacific Conf. on Erthquake Engineering, April 2010 [6] Maison,Kasai, Analysis for type of structural pounding J.Struct.Eng.116,(1990) 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

26 Γεωργιάδης ηµήτρης, Γιούνη Ελισάβετ [7] Karayannis,Favvata, Earthquake-induced interaction between adjacent reinforced concrete structures with non-equal heights, Earthquake Engin & Struct Dyn, 2005 [8] Cole, G., Dhakal, R.P., Carr, A.J., Bull, D., Building pounding state of the art: Identifying structures vulnerable to pounding damage, (NZSEE) Conference,2010 [9] Muthukumar, DesRoches, Evaluation of impact models for seismic pounding, 13th World Conf. on Earthquake Engineering Vancouver, 2004 Paper No. 235 [10] Chouw, Influence of soil-structure interaction on poundind response of adjacent buildings due to near-source earthquakes, Journal of Applied Mechanics,Vol.5(2002) [11] Shakya, Ohmachi, Mid-column seismic pounding of R.C. buildings in a row considering effects of soil,14th World Conf. on Earthquake Engineering 2008 [12] Anagnostopouos, Pounding of buildings in series during earthquakes, Earthquake Engin. And Struct. Dyn,Vol.16 (1988) [13] Φαββάτα, ιερεύνηση σεισµικής συµπεριφοράς και ικανότητας πολυόροφων Κ.Ω.Σ.,Τεχνικά Χρονικά 2007 [14] Uliege 2007, «Analysis of hammering problems», 6th Framework Programme [15] Anagnostopoulos, An investigation of earthquake induced pounding between adjacent buildings,earthquake Eng and Struct Dyn, VOL. 21, (1992) [16] Jeng-Hsiang Lin1 and Cheng-Chiang Weng2, Probability analysis of seismic pounding of adjacent buildings, Earthquake Engng Struct. Dyn. 2001; 30 [17] Robert Jankowski, Pounding force response spectrum under earthquake excitation, Engineering Structures 28 (2006) [18] KΑΝ.ΕΠΕ. ΟΑΣΠ , 4.8 Σεισµική αλληλεπίδραση γειτονικών κτιρίων [19] CSI, Analysis Reference Manual for SAP2000, ETABS and SAFE, o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

27 Αποτίµηση της Συµπεριφοράς Κτιρίων Οπλισµένου Σκυροδέµατος σε Φόρτιση Τσουνάµι ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΚΤΙΡΙΩΝ Ο.Σ ΣΕ ΦΟΡΤΙΣΗ ΤΣΟΥΝΑΜΙ ΚΑΡΑΚΩΝΣΤΑΝΤΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΠΕΡΟΓΙΑΝΝΑΚΗ ΝΙΚΟΛΕΤΤΑ Περίληψη Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση της συµπεριφοράς κτιρίων Ο.Σ. όταν υποβάλλονται σε φορτίο από τσουνάµι. Παρακάτω ακολουθεί µια εισαγωγή σχετικά µε την έννοια και τα αίτια γένεσης ενός τέτοιου φαινοµένου, εν συνεχεία παρατίθενται οι φορτίσεις τσουνάµι σύµφωνα µε τον Αµερικανικό Κανονισµό FEMA P646 [4] και τέλος ακολουθεί αποτίµηση κτιρίων Ο.Σ. 3 και 7 ορόφων (µε πλαισιακό και δυαδικό σύστηµα) διαστασιολογηµένων βάσει των ΕΚΩΣ2000 [2] και ΕΑΚ2003 [3] όταν αυτά υπόκεινται σε φόρτιση τσουνάµι, βάσει σύγκρισης των απαιτούµενων οπλισµών πριν και µετά από τη συγκεκριµένη φόρτιση. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΤΣΟΥΝΑΜΙ [13] Το τσουνάµι είναι ένα θαλάσσιο φαινόµενο, που δηµιουργείται κατά την απότοµη µετατόπιση µεγάλων ποσοτήτων νερού, σε ένα υδάτινο σχηµατισµό, όπως ένας ωκεανός, µία θάλασσα, µία λίµνη ή ένα φιόρδ. Η αρχική απότοµη µετατόπιση του νερού, που προκαλεί τη γένεση ενός τσουνάµι [9] µπορεί να είναι αποτέλεσµα σεισµού, κυρίως υποθαλάσσιου, που προκαλεί κατακόρυφη ανάταξη του βυθού, παραθαλάσσιας κατάρρευσης βουνοπλαγιάς ή ηφαιστείου, υποθαλάσσιας ηφαιστειακής έκρηξης ή κατολίσθησης, καθώς και πτώσης ικανού µεγέθους ουράνιου σώµατος στη θάλασσα. Ενώ σε βαθιά νερά το τσουνάµι, λόγω των χαρακτηριστικών του εκεί, δε θεωρείται σοβαρός κίνδυνος για πλέουσες κατασκευές, φτάνοντας στις ακτές έχει ιδιαίτερα καταστρεπτικές συνέπειες. Όσο διαδίδονται στην ανοιχτή θάλασσα µε µεγάλο βάθος, έχουν ελάχιστο ύψος, που δεν ξεπερνά συνήθως τα 1-2 µέτρα και ταξιδεύουν προς όλες τις επιτρεπτές από τον αρχικό σχηµατισµό του µετώπου, κατευθύνσεις, µε ταχύτητα χλµ/ώρα. Παρά την τροµακτική αυτή ταχύτητα, δε γίνονται αντιληπτά, από τα πλοία στην ανοιχτή θάλασσα, ούτε καν από βάρκες, καθώς φαίνονται, ως µία φουσκοθαλασσιά (λείας και αδιάσπαστης επιφάνειας, µε κορυφές που δε σκάνε, ούτε ασπρίζουν), που περνάει «σαν αστραπή» και φεύγει. Φθάνοντας όµως στα ρηχά, λόγω της µείωσης του βάθους, αναδιπλώνονται και ενώ χάνουν ταχύτητα, κερδίζουν σε ύψος. Όταν τελικώς «σκάσουν» στην ακτή, αν και η ταχύτητα πρόσκρουσης συνήθως είναι 40 χλµ/ώρα, το τελικό τους ύψος µπορεί να ποικίλλει από 5 µέχρι 15 µέτρα, αν και θεωρητικά µπορεί να φτάσει και τα 50 µέτρα (το σενάριο της πιθανής κατάρρευσης ηφαιστείου στο νησί La Palma [8] ) ή και πολύ ψηλότερα σε συµβάν πρόσκρουσης µε αστεροειδή ή κοµήτη. Πρακτικά όµως αρκεί να φτάσει τα 2 µέτρα, για να υπάρξουν ζηµιές και θύµατα. 1.2 ΤΣΟΥΝΑΜΙ ΛΟΓΩ ΣΕΙΣΜΟΥ Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, τα αίτια που προκαλούν ένα τσουνάµι µπορεί να είναι πολλά. Από αυτά, το πιο συνηθισµένο είναι ο σεισµός. Για να γίνει όµως τσουνάµι θα πρέπει ο υποθαλάσσιος σεισµός να είναι τουλάχιστον 6.5 Ρίχτερ και σε βάθος µικρότερο των 50 χιλιοµέτρων.[12] 1.3 ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΤΣΟΥΝΑΜΙ Τα πιο καταστροφικά τσουνάµι που έχουν συµβεί παγκοσµίως είναι: "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

28 Καρακωνσταντής Βασίλειος, Περογιαννάκη Νικολέττα Κρακατόα 1883: Το µεγαλύτερο σε µέγεθος τσουνάµι στην ιστορία, σύµφωνα µε τα διαθέσιµα στοιχεία, ήταν αυτό που δηµιουργήθηκε από την έκρηξη του ηφαιστείου Κρακατόα (Ινδονησία) στις 27 Αυγούστου Το µέγιστο ύψος των κυµάτων που δηµιουργήθηκαν, εκτιµήθηκε στα µέτρα.[13] Ινδονησία 2004: Εκδηλώθηκε µετά το σεισµό της 26ης εκεµβρίου 2004 στην Ινδονησία, µεγέθους 9.3 Ρίχτερ και είχε ως αποτέλεσµα, σχεδόν 250 χιλιάδες νεκρούς και τεράστιες υλικές ζηµιές.[13] Ιαπωνία 2011: Στις 11 Μαρτίου 2011 σηµειώθηκε σεισµός µεγέθους 9 Ρίχτερ στη βορειοανατολική Ιαπωνία, µε αποτέλεσµα να διαδοθεί τσουνάµι στον Ειρηνικό ωκεανό. Στις Ιαπωνικές ακτές το τσουνάµι έφτασε σε ύψος έως και 10 µέτρα, προκαλώντας τεράστιες καταστροφές και χιλιάδες απώλειες σε ανθρώπινες ζωές.[13] ΤΣΟΥΝΑΜΙ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α Ο πιο ενηµερωµένος κατάλογος για τα τσουνάµι στην Ελλάδα περιλαµβάνει 162 τέτοιες περιπτώσεις, µεταξύ του 1628 π.χ. και του 1996 µ.χ., από τις οποίες οι 140 σχετίζονται µε σεισµούς. [14] Ενδιαφέρον έχουν: Το τσουνάµι της Σαντορίνης, γύρω στα 1490 π.χ, που θεωρήθηκε η αιτία της καταστροφής του µινωικού πολιτισµού και προκλήθηκε από την έκρηξη του ηφαιστείου της Σαντορίνης. Λόγω αυτής, δηµιουργήθηκε ένα µέγα τσουνάµι ύψους 120 µέτρων. Σύµφωνα µε το µοντέλο της έκρηξης του ηφαιστείου της Θήρας του καθηγητή Κ. Συνολάκη, ένα τσουνάµι διέσχισε αστραπιαία τα 100 χλµ. απόστασης από την Κρήτη, τη σάρωσε µε κύµατα ύψους 12µ και έθαψε ολοκληρωτικά το µινωικό πολιτισµό. [12] Τσουνάµι που έχουν προκληθεί στην Κρήτη λόγω σεισµού. Από αυτά, το πιο πρόσφατο έχει καταγραφεί το 1303 και το παλαιότερο το 365 µ.χ. Βέβαια στις περιπτώσεις αυτές, είχαν προηγηθεί σεισµικές δονήσεις µεγαλύτερες των 8,5 Ρίχτερ, κάτι που είναι πολύ σπάνιο.[11] Μικρός αλλά υπαρκτός λοιπόν είναι ο κίνδυνος τσουνάµι στη Μεσόγειο Θάλασσα, ιδιαίτερα στην Ελλάδα λόγω της υψηλής της σεισµικότητας. Στον Ελλαδικό χώρο δε γίνονται βέβαια ισχυροί σεισµοί οι οποίοι από µόνοι τους να προκαλούν τσουνάµι, ωστόσο το µέγεθός τους είναι τέτοιο που µπορεί να ανακινήσει ιζήµατα και να υπάρξουν υποθαλάσσιες κατολισθήσεις. [12] εδοµένου αυτού στις Οκτωβρίου 2011 πραγµατοποιήθηκε στην Κρήτη (Ηράκλειο και Χανιά) η πρώτη πανευρωπαϊκή άσκηση για τσουνάµι, στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού προγράµµατος EU POSEIDON, το οποίο χρηµατοδοτεί η Ευρωπαϊκή Επιτροπή. Η άσκηση εξελίχθηκε µε σενάριο τσουνάµι µετά από ισχυρό σεισµό στη Μεσόγειο. Ειδικότερα το σενάριο της άσκησης εξοµοιώνει τον καταστροφικό σεισµό του 365 µ.χ. [10] 1.4. ΕΡΕΥΝΑ ΚΑΙ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΙ ΓΙΑ ΤΣΟΥΝΑΜΙ Λόγω της επικινδυνότητας αυτού του φυσικού φαινοµένου έχουν αυξηθεί σε αριθµό τα τελευταία χρόνια οι έρευνες γύρω από το τσουνάµι σαν φαινόµενο, καθώς και την απόκριση των κατασκευών υπό φόρτιση τσουνάµι. Ήδη πολλές χώρες, µε πρωτοπόρο την Ιαπωνία, έχουν σχεδιάσει και κατασκευάσει ειδικά κτίρια ως κέντρα εκκένωσης γι αυτήν την περίπτωση. Πρόσφατα µάλιστα εκδόθηκαν και ειδικοί κανονισµοί για την κατασκευή και το σχεδιασµό αντιτσουναµικών κτιρίων. Ένας από αυτούς είναι ο Αµερικάνικος κανονισµός FEMA P646 [4}, που εκδόθηκε τον Ιούλιο του Παρατηρήσεις της συµπεριφοράς των κτιρίων διαφόρων περιοχών που έχουν πληγεί από τσουνάµι, οδήγησαν στο συµπέρασµα ότι µόνο κατασκευές Ο.Σ και οµικού Χάλυβα, καθώς και κατασκευές υψωµένες πάνω από τη ροή του τσουνάµι, µπόρεσαν να επιβιώσουν από τις δυνάµεις του τσουνάµι χωρίς σηµαντικές ζηµιές ή κατάρρευση. [5] "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

29 Αποτίµηση της Συµπεριφοράς Κτιρίων Οπλισµένου Σκυροδέµατος σε Φόρτιση Τσουνάµι 2. ΦΟΡΤΙΣΕΙΣ ΤΣΟΥΝΑΜΙ [4] H FEMA P646 χωρίζει τις φορτίσεις τσουνάµι σε 8 κατηγορίες: Υδροστατική, άνωση, υδροδυναµική, ορµητική, κρουστικό φορτίο, φορτίο "φράγµατος", ανοδικές δυνάµεις και επιπρόσθετες δυνάµεις βαρύτητας. [4] Προτείνεται να χρησιµοποιηθεί ρ s =1.2ρ νερού για την πυκνότητα του θαλασσινού νερού µαζί µε τα ιζήµατα που φέρει. [4] Η πραγµατική πυκνότητα του θαλασσινού νερού είναι περίπου 1.03ρ νερού. Αυτό δείχνει ότι η FEMA P646 υποθέτει ίζηµα 17%. Αυτό φαίνεται υπερβολικό, αλλά παρ' όλα αυτά χρησιµοποιήθηκε σ' αυτήν την εργασία. 2.1 Υ ΡΟΣΤΑΤΙΚΗ ΥΝΑΜΗ (HYDROSTATIC FORCE) Υδροστατική δύναµη υπάρχει όταν ακίνητο ή αργά κινούµενο νερό συναντά µία κατασκευή ή ένα µέλος αυτής. Η δύναµη αυτή ασκείται κάθετα στην επιφάνεια του µέλους και προκαλείται από τη διαφορά πίεσης λόγω διαφορετικού βάθους νερού στις δύο αντίθετες πλευρές του µέλους. Η κατανοµή της είναι τριγωνική και φαίνεται στο σχήµα 1 (1) Σχήµα 1: Υδροστατική δύναµη [6] 2.2 ΑΝΩΣΗ (BUOYANCY) Κατακόρυφες δυνάµεις άνωσης δρουν προς τα πάνω και είναι ίσες µε το βάρος του νερού που εκτοπίζεται. Εφόσον σ' αυτές αντιστέκεται µόνο το βάρος της κατασκευής, αποτελούν σοβαρό πρόβληµα για ελαφρές κατασκευές, κτίρια µε υπόγεια και µέλη που έχουν σχεδιαστεί να φέρουν µόνο φορτία βαρύτητας. (2) "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

30 Καρακωνσταντής Βασίλειος, Περογιαννάκη Νικολέττα Σχήµα 2: Άνωση [6] 2.3 Υ ΡΟ ΥΝΑΜΙΚΕΣ ΥΝΑΜΕΙΣ (HYDRODYNAMIC FORCES) Οι υδροδυναµικές δυνάµεις προκαλούνται από τη ροή του νερού γύρω από τα µέλη της κατασκευής. (3) Όπου: C d = συντελεστής οπισθέλκουσας (προτείνεται C d =2) Β= πλάτος κατασκευής ή µέλους h=βάθος ροής u=ταχύτητα ροής Σχήµα 3: Υδροδυναµικές δυνάµεις [6] "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

31 Αποτίµηση της Συµπεριφοράς Κτιρίων Οπλισµένου Σκυροδέµατος σε Φόρτιση Τσουνάµι 2.4 ΟΡΜΗΤΙΚΕΣ ΥΝΑΜΕΙΣ (IMPULSIVE FORCES) Οι ορµητικές δυνάµεις προκαλούνται από την αρχική πρόσκρουση της κορυφής του κύµατος. Πειράµατα έχουν δείξει ότι αν το κύµα ταξιδεύει πάνω σε στεγνή βάση, οι δυνάµεις αυτές δεν ξεπερνάνε σηµαντικά τις αναµενόµενες υδροδυναµικές. Αν όµως ταξιδεύει σε υγρή βάση, εµφανίζεται σηµαντική αύξηση. Εφόσον τα τσουνάµι έρχονται σε σετ κυµάτων, το πρώτο κύµα µπορεί να µην παρουσιάσει σηµαντικές τέτοιες δυνάµεις, άλλα τα ακόλουθα κύµατα θα ταξιδεύουν πάνω σε πληµµυρισµένο έδαφος και άρα µπορεί να προκαλέσουν ορµητικές δυνάµεις αρκετά µεγάλες. Η FEMA P646 συντηρητικά προτείνει: 1.5 (4) Οι ορµητικές δυνάµεις δρουν σε µέλη στο µέτωπο του κύµατος, ενώ υδροδυναµικές δυνάµεις ασκούνται στα µέλη που έχει ήδη προσπεράσει, όπως φαίνεται στο σχήµα 4. Σχήµα 4: Υδροδυναµικές και ορµητικές δυνάµεις σε µέλη του κτιρίου που υπόκεινται σε πληµµύρα λόγω του τσουνάµι [4] 2.5 ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΥΝΑΜΕΙΣ (DEBRIS IMPACT FORCES) Οι κρουστικές δυνάµεις προκαλούνται από την πρόσκρουση επιπλεόντων αντικειµένων (π.χ., ξύλα, πλοία, containers, οχήµατα κλπ) στα µέλη της κατασκευής. ίνονται από τον τύπο: (5) Όπου: C m = προστιθέµενος συντελεστής µάζας u max = µέγιστη ταχύτητα ροής k= ενεργός δυσκαµψία m= µάζα του αντικειµένου "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

32 Καρακωνσταντής Βασίλειος, Περογιαννάκη Νικολέττα 2.6 ΥΝΑΜΕΙΣ ΤΥΠΟΥ "ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ" (DAMMING OF WATERBORNE DEBRIS) Η δράση "φράγµατος", που προκαλείται από τη συσσώρευση επιπλεόντων αντικειµένων, µπορεί να θεωρηθεί σαν µία, ενισχυµένη από το πλάτος του συσσωρεύµατος, υδροδυναµική δύναµη στο µέτωπο της κατασκευής. (6) Όπου Β d το πλάτος του "φράγµατος". 2.7 ΑΝΟ ΙΚΕΣ ΥΝΑΜΕΙΣ ΣΤΟΥΣ ΟΡΟΦΟΥΣ ( UPLIFT FORCES) Όταν µία κατασκευή γεµίζει γρήγορα µε νερό, παγιδεύεται αέρας κάτω από τους συγκεκριµένους ορόφους. Επιπλέον, το επίπεδο της επιφάνειας του νερού µπορεί να µην είναι αρκετά ψηλά ώστε να σπάσει τους µη-δοµικούς τοίχους στους ορόφους αυτούς. Αυτό δηµιουργεί επιπλέον ανοδικές δυνάµεις στις πλάκες. Η συνολική άνωση σε µία πλάκα του ορόφου είναι: (7) A f = επιφάνεια του ορόφου h b = ύψος νερού που εκτοπίζεται. Κατά τη διάρκεια της πληµµύρας, το αναδυόµενο νερό δηµιουργεί επιπλέον ανοδικές δυνάµεις στις πλάκες. Οι υδροδυναµικές αυτές ανοδικές δυνάµεις δίνονται από την εξίσωση (8). (8) Όπου C u =3.0 και u v =u*tan(α) (α: µέση κλίση εδάφους) 2.8 ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΦΟΡΤΙΑ ΒΑΡΥΤΗΤΑ ΣΤΟΥΣ ΟΡΟΦΟΥΣ (ADDITIONAL GRAVITY LOADS) Κατά τη διάρκεια ενός τσουνάµι, η πληµµύρα ακολουθείται από ταχεία υποχώρηση του νερού πίσω στον ωκεανό. Αν η πληµµύρα ήταν αρκετά ψηλά ώστε να πληµµυρίσει κάποιους από τους ορόφους, είναι πιθανό κατά τη διάρκεια της υποχώρησης, το νερό να παγιδευτεί στους ορόφους και έτσι να αυξήσει τα φορτία βαρύτητας σε όλα τα δοµικά µέλη όπως φαίνεται στο σχήµα 5 (9) όπου h r το µέγιστο δυνατό βάθος νερού στον όροφο. "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

33 Αποτίµηση της Συµπεριφοράς Κτιρίων Οπλισµένου Σκυροδέµατος σε Φόρτιση Τσουνάµι Σχήµα 5: Επιπλέον δυνάµεις βαρύτητας [6] 2.9 ΣΥΝ ΥΑΣΜΟΙ ΡΑΣΕΩΝ [4] Στο σύνολο της κατασκευής: Τα φορτία άνωσης έχουν την τάση να µειώνουν το βάρος της κατασκευής επηρεάζοντας την ικανότητα του κτιρίου να ανθίσταται σε ροπές ανατροπής που οφείλονται σε οριζόντια φορτία. Γι' αυτό λαµβάνονται υπόψη σε όλους τους συνδυασµούς δράσεων. Οι ορµητικές δυνάµεις που προκαλούνται από το µέτωπο του κύµατος επηρεάζουν την κατασκευή για ένα πολύ σύντοµο χρονικό διάστηµα. Όπως το κύµα περνάει µέσα στο κτίριο, συγκρούεται διαδοχικά µε τα δοµικά στοιχεία και το χειρότερο σενάριο συµβαίνει όταν το µέτωπο του κύµατος χτυπάει τα τελευταία δοµικά µέλη (τα στοιχεία δηλαδή του τελευταίου πλαισίου της κατασκευής όπως φαίνεται στο σχήµα 6α) και τα υδροδυναµικά φορτία δρουν στα υπόλοιπα µέλη. Τα φορτία από τα παρασυρόµενα στοιχεία δρουν επί της κατασκευής κι αυτά για πολύ λίγο, εφόσον όµως απαιτείται κάποιο ελάχιστο βάθος νερού για να µεταφερθούν δε θα τα λάβουµε σε συνδυασµό µε τα φορτία από το µέτωπο του κύµατος που δρουν στην αρχή. Επίσης παρά το ότι είναι πιθανό να δράσουν επί της κατασκευής φορτία από πολλά παρασυρόµενα στοιχεία στη διάρκεια του τσουνάµι, είναι απίθανο να συγκρουστούν µε την κατασκευή περισσότερα από ένα τέτοια στοιχεία ταυτόχρονα. Γι αυτό λαµβάνεται υπόψη η δράση ενός µόνο τέτοιου στοιχείου σε συνδυασµό µε τις υπόλοιπες δυνάµεις (εκτός από τις ορµητικές δυνάµεις). Οι δυνάµεις τύπου "φράγµατος" πρέπει να εφαρµοστούν στο πιο τρωτό σηµείο της κατασκευής σε συνδυασµό µε δράση των υδροδυναµικών φορτίων στα υπόλοιπα δοµικά στοιχεία. (Όπως φαίνεται και στο σχήµα 6β) "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

34 Καρακωνσταντής Βασίλειος, Περογιαννάκη Νικολέττα Σχήµα 6: α) Συνδυασµός 2 β) Συνδυασµός 4 [4] Στο κάθε µέλος: Ορµητικές δυνάµεις Υδροδυναµικές δυνάµεις, συν κρουστικό φορτίο στο πιο κρίσιµο σηµείο του µέλους υνάµεις "φράγµατος" εξαιτίας ενός φράγµατος πλάτους τουλάχιστον 40 ft. Υδροστατική πίεση σε τοίχους που εσωκλείουν υδατοστεγείς περιοχές του κτιρίου. Για µέλη που δέχονται ανοδικές δυνάµεις( ή επιπρόσθετες δυνάµεις βαρύτητας): Άνωση βυθισµένων µελών συµπεριλαµβανοµένων των επιδράσεων παγιδευµένου αέρα και υδροδυναµικών ανοδικών δυνάµεων σε συνδυασµό µε το 90% των µονίµων φορτίων. Κατακόρυφο φορτίο λόγω βάρους νερού που έχει συγκρατηθεί από τους εξωτερικούς τοίχους σε συνδυασµό µε το 100% του µόνιµου φορτίου. Οι φορτίσεις τσουνάµι υπολογίζονται σύµφωνα µε τα παραπάνω και αυτές συνδυάζονται µε τα φορτία βαρύτητας µε τους παρακάτω δύο συνδυασµούς: Συνδυασµός 1: 1.2G+0.25Q+Ts Συνδυασµός 2: 0.9G+Ts Από τα παραπάνω φορτία, τα κρουστικά φορτία καθώς και τα φόρτια "φράγµατος" δίνουν πολύ µεγάλες δυνάµεις και στα πλαίσια της εργασίας αυτής θα παραληφθούν. Επιπλέον, θεωρείται ότι όλοι οι µη δοµικοί τοίχοι σπάνε, οπότε δεν υπάρχει πουθενά στην κατασκευή υδατοστεγής περιοχή, άρα δεν υπάρχουν και υδροστατικές δυνάµεις. Άρα, τελικά οι συνολικοί συνδυασµοί δράσεων είναι: 1.2G+0.25Q+F s (στο τελευταίο πλαίσιο)+f d (στα υπόλοιπα)+f b +F u 0.9G+Fs(στο τελευταίο πλαίσιο)+f d (στα υπόλοιπα)+f b +F u 0.9G+F s G+Fr Στους συνδυασµούς δράσεων δε συµπεριλαµβάνεται η δράση του σεισµού. ε θεωρείται δηλαδή ότι το ενδεχόµενο τσουνάµι λόγω σεισµού, δρα ταυτόχρονα µε τον εν λόγω σεισµό. Αυτό δικαιολογείται από το γεγονός ότι τα κτίρια είναι σχεδιασµένα βάσει του Αντισεισµικού Κανονισµού και σε ένα τέτοιο ενδεχόµενο σεισµό (µικρότερο ή ίσο µε το σεισµό σχεδιασµού), θεωρείται ότι το κτίριο θα παρουσιάσει αµελητέες ή καθόλου βλάβες. Επίσης το τσουνάµι που θα λάβει χώρα εξαιτίας του σεισµού, θα έπεται χρονικά, δηλαδή τα δύο αυτά φαινόµενα δε θα συµβούν ταυτόχρονα. "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

35 Αποτίµηση της Συµπεριφοράς Κτιρίων Οπλισµένου Σκυροδέµατος σε Φόρτιση Τσουνάµι 3.ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΩΝ 3 ΚΤΙΡΙΩΝ 3.1 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΤΗΣ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑΣ Στα πλαίσια της εργασίας αυτής χρησιµοποιήθηκαν συνολικά 3 κατασκευές. Οι δύο από αυτές είναι 3όροφες, η µία µε πλαισιακό σύστηµα και η άλλη µε δυαδικό, και η τρίτη είναι 7όροφη µε πλαισιακό σύστηµα. Και τα τρία αυτά κτίρια θεωρήθηκαν συµµετρικά, ώστε να αυξηθεί η εγκυρότητα των αποτελεσµάτων. Η διάταξη των τοιχωµάτων στο δυαδικό σύστηµα, είναι τέτοια ώστε να ελαχιστοποιείται η στρεπτική παραµόρφωση του κτιρίου. Τέλος, και τα τρία κτίρια σχεδιάστηκαν µε βάση τις αρχές του Ικανοτικού Σχεδιασµού. Αρχικά σχεδιάστηκαν οι δύο 3όροφες κατασκευές, για τα κατακόρυφα φορτία και για σεισµό, σύµφωνα µε τους Ελληνικούς Κανονισµούς [2],[3]. Στη συνέχεια σχεδιάστηκαν και για φορτία από τσουνάµι, και για τις δύο διευθύνσεις δράσεως του τσουνάµι (υπάρχουν µόνο δύο, γιατί τα κτίρια είναι συµµετρικά), σύµφωνα µε τους συνδυασµούς δράσεων του τσουνάµι (βλ. παρ. 2 παραπάνω). Έπειτα, συγκρίνοντας τους οπλισµούς που προκύπτουν από τους δύο παραπάνω σχεδιασµούς, ελέγχθηκε η επάρκεια ή µη των κτιρίων αυτών, αν είχαν σχεδιαστεί µόνο κατά τους Ελληνικούς κανονισµούς, στην περίπτωση που συνέβαινε τσουνάµι στην περιοχή. Ακολούθησε σύγκριση της αποτελεσµατικότητας του πλαισιακού συστήµατος έναντι του δυαδικού. Αφού το πλαισιακό σύστηµα αποδείχθηκε πιο αποτελεσµατικό για τη φόρτιση τσουνάµι, κατασκευάστηκε και σχεδιάστηκε ένα πλαισιακό κτίριο, 7όροφο αυτή τη φορά, για να καταδειχθεί η πολύ καλή συµπεριφορά έναντι τσουνάµι ενός πολυωρόφου κτιρίου σχεδιασµένου µε τους Ελληνικούς Κανονισµούς. Όσον αφορά τις προαναφερθείσες συγκρίσεις, θα δοθεί βάση στον οπλισµό των κατακόρυφων στοιχείων. Όλοι οι σχεδιασµοί έγιναν µε χρήση του προγράµµατος FESPA 10 [1]. 3.2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΤΣΟΥΝΑΜΙ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΥ Το τσουνάµι χωρίστηκε σε δύο στάδια: το πρώτο στάδιο είναι όταν το κύµα, ύψους H µέτρων, έρθει σε επαφή µε το κτίριο και δεν υπάρχει νερό στη βάση του κτιρίου και το δεύτερο στάδιο είναι όταν το κύµα υποχωρεί, αφήνοντας πρόσθετα φορτία βαρύτητας στον πρώτο όροφο (δηλ νερό, από το κύµα στον πρώτο όροφο, µε ύψος τέτοιο που δεν επαρκεί ώστε να σπάσει τους µη δοµικούς τοίχους). Παρόλο που η FEMA P646 προτείνει κάποιες σχέσεις για τον προσδιορισµό του µέγιστου βάθους νερού και της µέγιστης ταχύτητας, αν τις εφαρµόσουµε θεωρώντας R=16ft και z=3ft (βλ. σχήµα 7), θα πάρουµε µέγιστο βάθος νερού d=0.65ft (0.2m) και ταχύτητα, u=8.25ft/s (9km/h). Αυτές οι τιµές βάθους και ταχύτητας προφανώς δεν αντιπροσωπεύουν ένα τυπικό κύµα τσουνάµι επειδή δε λαµβάνουν υπόψη την επίδραση της τριβής. [4] Όταν δεν υπάρχει τριβή, το κύµα "σκάει" σε µία λεία επιφάνεια και ταξιδεύει σαν ένας λεπτός πίδακας νερού πάνω στην επιφάνεια, σε αντίθεση µε ένα κύµα τσουνάµι. Σχήµα 7: Κτίριο σε λεία επιφάνεια [6] "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

36 Καρακωνσταντής Βασίλειος, Περογιαννάκη Νικολέττα Γι' αυτό θα ακολουθηθεί µία διαφορετική διαδικασία για την εύρεση των δύο αυτών παραµέτρων ταχύτητας και ύψους κύµατος. Προτείνεται για την εύρεση της ταχύτητας ενός τσουνάµι η ακόλουθη σχέση [7]: (10), όπου: µε Fr 1 και Fr 2 να είναι οι αριθµοί Froude κατάντη και ανάντη του κύµατος αντίστοιχα, h το αρχικό βάθος νερού στο οποίο ταξιδεύει το κύµα και H το ύψος κύµατος τσουνάµι. Το ύψος του κύµατος θεωρήθηκε 3.5m και το αρχικό βάθος του νερού 3.5 m επίσης. Άρα σύµφωνα µε την εξίσωση (10), η ταχύτητα είναι m/s (36.5 km/hr). Αυτές οι τιµές βάθους και ταχύτητας είναι πολύ πιο λογικές. Σύµφωνα µε αυτές τις τιµές και θεωρώντας τις τιµές των παραµέτρων του πίνακα 1, υπολογίζονται οι υδροδυναµικές και οι ορµητικές δυνάµεις που δίνονται στον πίνακα 2 για διάφορα πλάτη ΠΡΩΤΟ ΣΤΑ ΙΟ (3.5m ΤΣΟΥΝΑΜΙ) Όσον αφορά το πρώτο στάδιο, οι δυνάµεις που δρουν στα δοµικά µέλη είναι οι υδροδυναµικές και οι ορµητικές δυνάµεις, οι δυνάµεις πρόσκρουσης, οι δυνάµεις τύπου "φράγµατος" και οι ανοδικές. Όπως αναφέρθηκε και στην ενότητα 2.9 υδροστατικές δυνάµεις δεν υπάρχουν και οι δυνάµεις που οφείλονται σε φερτά αντικείµενα ("φράγµατος" και κρουστικές) θα αγνοηθούν. Στην επόµενη όµως ενότητα θα αναφερθούν πιο αναλυτικά οι λόγοι που αγνοούνται ΕΥΤΕΡΟ ΣΤΑ ΙΟ Όσον αφορά αυτό το στάδιο, οι δυνάµεις που δρουν στα δοµικά µέλη είναι µόνο οι επιπρόσθετες δυνάµεις βαρύτητας. Οφείλονται στο στρώµα νερού που παγιδεύεται στον πρώτο όροφο (αφού υποχωρήσει το κύµα), το οποίο όµως έχει µικρό ύψος και οι δυνάµεις που ασκεί στους µη δοµικούς τοίχους δεν επαρκούν ώστε να σπάσουν οι τοίχοι ΥΠΟΘΕΣΕΙΣ ΚΑΙ ΤΙΜΕΣ ΦΟΡΤΙΩΝ Υποθέσεις για υδροδυναµικές και ορµητικές δυνάµεις ρ νερού =1 t/m 3 g=9.81 m/s 2 h=3.5m ρ s =1.2 t/m 3 C d =2 H=3.5m Πίνακας 1: Υποθέσεις για F d και F s Force 0.35m 0.40 m m F d (kn) F s (kn) F d (kn/m) για 0 Όροφο 43,26 49,44 55,62 185,4 F s (kn/m) για 0 Όροφο 64,89 74,16 83,43 278,1 F d (kn/m) για 1ο Όροφο 7,21 8,24 9,27 30,9 F s (kn/m) για 1ο Όροφο 10,82 12,36 13,91 46,35 Πίνακας 2: F d και F s "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

37 Αποτίµηση της Συµπεριφοράς Κτιρίων Οπλισµένου Σκυροδέµατος σε Φόρτιση Τσουνάµι Οι κατανεµηµένες δυνάµεις υπολογίστηκαν προσεγγιστικά, λόγω αδυναµίας του προγράµµατος να κατανείµει φορτίο σε µέρος µόνο του υποστυλώµατος. Συγκεκριµένα, οι δυνάµεις F d και F s κατανεµήθηκαν στα υποστυλώµατα του ισογείου και του πρώτου ορόφου αλλά το φορτίο που αντιστοιχεί στα 0,5 m κάθε υποστυλώµατος του πρώτου ορόφου, κατανεµήθηκε οµοιόµορφα σε όλο το ύψος των υποστυλωµάτων (αυτό είναι µη συντηρητικό, αλλά στα πλαίσια φοιτητικής εργασίας και ελλείψει δυνατότητας φόρτισης των µελών µε τα ακριβή τους φορτία δεν θεωρήθηκε τόσο σηµαντικό). Όσον αφορά τα κατακόρυφα φορτία στις πλάκες (ανοδικά και πρόσθετα φορτία βαρύτητας), οι τιµές τους σε kn/m 2 δίνονται στον πίνακα 3. Φόρτιση Όροφος 0 F u (kn/m 2 ) 1.3 F b (kn/m 2 ) 11.7 F r (kn/m 2 ) -5.9 Πίνακας 3: Κατακόρυφα φορτία τσουνάµι Για τον υπολογισµό της F u χρησιµοποιήθηκαν C u =3, tan(α)=1/12=> u v =u*tan(α)=0.85 m/s Για το F r στον όροφο 0, θεωρήθηκε ότι οι τοίχοι έχουν σχεδιαστεί να αστοχήσουν σε οµοιόµορφο φορτίο 40 psf (1.9kPa), άρα η ισοδύναµη υδροστατική πίεση του νερού θα εµφανιστεί όταν το βάθος του νερού είναι 2.2 ft (0.67m). Άρα θα προλάβει ο όροφος να γεµίσει µέχρι τα 0,5 m. 3.3 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΤΙΡΙΩΝ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΥ ΠΑΡΑ ΟΧΕΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΚΑΙ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ Σε όλα τα κτίρια θεωρήθηκε ότι οι µη φέροντες τοίχοι, που εντείνονται από το τσουνάµι αστοχούν. Ο λόγος που γίνεται αυτό, είναι ότι µετά από ανασκόπηση της συµπεριφοράς κτιρίων κατά τη διάρκεια τσουνάµι προηγουµένων ετών, σε ορισµένες περιπτώσεις, η αστοχία των µη δοµικών τοίχων στα χαµηλότερα επίπεδα µείωσε το φορτίο τσουνάµι, µε αποτέλεσµα την επιβίωση του συνόλου της κατασκευής. [5].Σύµφωνα µε τη FEMA P646, οι µη δοµικοί τοίχοι πρέπει να σχεδιάζονται µε τον τρόπο αυτό για να περιοριστούν οι υδροστατικές, υδροδυναµικές και ορµητικές δυνάµεις στο κτίριο. 1 Υλικά Σκυρόδεµα: C20/25 Χάλυβας: S500 γ c =1.5, γ s = Κινητά φορτία Πλακών: 2 kn/m 2 5.Κανονισµοί ΕΚΩΣ 2000 ΕΑΚ Αντισεισµικός Μέθοδος επίλυσης: υναµική µε µετατόπιση µαζών Πλήθος Ιδιοµορφών: 16 2.Μόνιµα φορτία Ειδ. βάρος σκυρ. : 25kN/m 3 Πλακών: 1kN/m 2 οκών: 9kN/m 4.Συντ. ασφάλειας φορτίων γ g =1.35 γ q = Έδαφος/θεµελίωση k s = σ επ =200 kn/m 2 Τύπος θεµελίωσης: Εσχάρα πεδιλοδοκών Πίνακας 4: Παραδοχές υπολογισµού [2],[3] 8.Φάσµα Ζώνη σεισµ. επικυνδ.: ΙΙ "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

38 Καρακωνσταντής Βασίλειος, Περογιαννάκη Νικολέττα ΤΡΙΩΡΟΦΑ ΚΤΙΡΙΑ ΥΑ ΙΚΟ Το κτίριο µε το δυαδικό σύστηµα (πλαίσια και τοιχώµατα), διαστάσεων 20mΧ18m, αποτελείται από τα εξής κατακόρυφα δοµικά µέλη: Υποστυλώµατα: 40cm/40cm 35cm/35cm Τοιχώµατα: 150cm/30cm Στους ανώτερους ορόφους υπάρχουν κάποιες µικρές αλλαγές στις διατοµές των υποστυλωµάτων. Ωστόσο, παρακάτω δίνονται ενδεικτικά οι κατόψεις του ισογείου. Σχήµα 8: Κάτοψη 3όροφου τοιχωµατικού σχεδιασµένο για σεισµό Σχήµα 9: Κάτοψη 3όροφου τοιχωµατικού σχεδιασµένο για τσουνάµι Σχήµα 10: 3D τριώροφου τοιχωµατικού Μετά το σχεδιασµό και για τσουνάµι, χρειάστηκαν απαραίτητες αλλαγές, πέρα από τον οπλισµό, και στις διαστάσεις κάποιων κατακόρυφων µελών. Οι διατοµές των νέων κατακόρυφων µελών δίνονται παρακάτω: Υποστυλώµατα: 35cm/35cm 40cm/40cm 45cm/45cm Τοιχώµατα: 150cm/35cm "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

39 Αποτίµηση της Συµπεριφοράς Κτιρίων Οπλισµένου Σκυροδέµατος σε Φόρτιση Τσουνάµι ΠΛΑΙΣΙΑΚΟ Το πλαισιακό κτίριο, διαστάσεων 20mΧ18m, αποτελείται στο σύνολο του από υποστυλώµατα 40cm/40cm µε εξαίρεση τα 4 γωνιακά (35cm/35cm). Μετά το σχεδιασµό για τσουνάµι όλες οι διαστάσεις των µελών παρέµειναν ίδιες. Σχήµα 11: Κάτοψη 3όροφου πλαισιακού Σχήµα 12: 3D τριώροφο πλαισιακό ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Αφού σχεδιάστηκαν τα παραπάνω κτίρια και για το τσουνάµι, συγκρίθηκαν οι οπλισµοί των κατακόρυφων µελών στις δύο περιπτώσεις σχεδιασµού. Όσον αφορά το δυαδικό σύστηµα, παρουσιάστηκαν σηµαντικότατες αλλαγές στους οπλισµούς καθώς και αλλαγές στις διαστάσεις. Οι ποσοστιαίες αυξήσεις του οπλισµού στο ισόγειο φτάνουν το 113%, ενώ στον πρώτο όροφο µέχρι το 88%. Πιο συγκεκριµένα στο ισόγειο, ο οπλισµός αυξάνεται κατά 113% στα τοιχώµατα, ενώ έχουµε αύξηση του οπλισµού πάνω από 50% στα υποστυλώµατα που είναι κυκλωµένα µε κόκκινη συνεχή γραµµή. Σχεδόν µηδενικές ήταν οι αυξήσεις στον οπλισµό στα κατακόρυφα στοιχεία που είναι κυκλωµένα µε µπλε διακεκοµµένη γραµµή, τα οποία είναι κυρίως περιµετρικά υποστυλώµατα. Στα υπόλοιπα υποστυλώµατα έχουµε διαφορές γύρω στο 30%. ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΤΣΟΥΝΑΜΙ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΤΣΟΥΝΑΜΙ Σχήµα 13: Κάτοψη ισογείου 3όροφου τοιχωµατικού "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

40 Καρακωνσταντής Βασίλειος, Περογιαννάκη Νικολέττα Όσον αφορά τον πρώτο όροφο, οι πολύ µεγάλες αλλαγές εµφανίστηκαν στα τοιχώµατα (από 45-88%), ενώ στα υπόλοιπα κατακόρυφα στοιχεία εντοπίστηκαν µικρότερες (της τάξης του 20%) ή καθόλου αλλαγές. Ο συνολικός οπλισµός στα κατακόρυφα στοιχεία στο ισόγειο αυξήθηκε κατά 33% ενώ στον πρώτο όροφο κατά 13%. Όπως ήταν αναµενόµενο παρουσιάζεται µείωση της αλλαγής στους ανώτερους ορόφους. Είναι προφανές ότι το κτίριο αυτό, αν είχε σχεδιαστεί µόνο κατά τους Ελληνικούς κανονισµούς και δεχόταν φορτίσεις από το τσουνάµι που θεωρήθηκε στο σχεδιασµό, θα παρουσίαζε σηµαντικές βλάβες και πιθανόν να κατέρρεε. Ακόµη όµως και να µην είχε προκληθεί κατάρρευση, οι βλάβες θα ήταν τόσο σηµαντικές που η ενίσχυσή της θα ήταν ασύµφορη οικονοµικά. Πρέπει στο σηµείο αυτό να τονιστεί, ότι όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, τα αποτελέσµατα αυτά έχουν προέλθει παραλείποντας κάποιες φορτίσεις τσουνάµι, οι οποίες όχι µόνο έχουν σηµαντική πιθανότητα να συµβούν αλλά πολλές φορές παίζουν και κυρίαρχο ρόλο στην κατάρρευση µίας κατασκευής. Κάνοντας την ίδια σύγκριση και στο πλαισιακό κτίριο, παρατηρήθηκαν πάλι σηµαντικές αλλαγές στους οπλισµούς, αλλά καµία αλλαγή στις διατοµές των µελών. Οι ποσοστιαίες αυξήσεις τώρα, κυµαίνονται στο ισόγειο από 0% έως 42%, ενώ στον πρώτο και το δεύτερο όροφο δεν υπήρχε καµία αλλαγή στους οπλισµούς. KATΕΥΘΥΝΣΗ ΤΣΟΥΝΑΜΙ KATΕΥΘΥΝΣΗ ΤΣΟΥΝΑΜΙ Σχήµα 14: Κάτοψη ισογείου 3όροφου πλαισιακού Συγκεκριµένα η µεγαλύτερη αλλαγή στους οπλισµούς (42%) παρατηρήθηκε στα δύο περιµετρικά υποστυλώµατα (σε κύκλο µε κόκκινη συνεχή γραµµή). Στα υπόλοιπα κυκλωµένα υποστυλώµατα µε κόκκινο παρατηρήθηκε αλλαγή από 29% έως 31%, ενώ στα κυκλωµένα µε µπλε διακεκοµµένη γραµµή υποστυλώµατα οι αλλαγές ήταν πολύ µικρές (µάλιστα στα γωνιακά δεν παρατηρήθηκε αλλαγή). Στα υπόλοιπα υποστυλώµατα οι αλλαγές είχαν ενδιάµεσα ποσοστά. Επίσης στον ισόγειο όροφο η συνολική αύξηση του κατακόρυφου οπλισµού των υποστυλωµάτων ανέρχεται σε ποσοστό 16%. Τέλος όσον αφορά στη θεµελίωση, ήταν απαραίτητο να αυξηθεί το βάθος θεµελίωσης και αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι απαιτείται ισχυρή θεµελίωση για να αντιµετωπισθούν οι, προκύπτουσες από το τσουνάµι, ροπές ανατροπής. Συγκρίνοντας τις λειτουργίες του πλαισιακού και του δυαδικού συστήµατος, είναι προφανές ότι το πλαισιακό σύστηµα λειτουργεί πολύ καλύτερα από το δυαδικό σε περίπτωση φόρτισης από τσουνάµι.. Βέβαια, όπως φαίνεται από τις απαιτήσεις αύξησης του οπλισµού στο ισόγειο, ακόµη και το πλαισιακό σύστηµα, στην περίπτωση αυτή, θα παρουσίαζε "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

41 Αποτίµηση της Συµπεριφοράς Κτιρίων Οπλισµένου Σκυροδέµατος σε Φόρτιση Τσουνάµι σηµαντικές βλάβες. Έχοντας υπόψη µας την παραπάνω θεωρία, µπορούµε να αποδώσουµε τη διαφορά αυτή ανάµεσα στο πλαισιακό και το δυαδικό σύστηµα, στο γεγονός ότι τα τοιχώµατα έχοντας πολύ µεγαλύτερη επιφάνεια, ασκούνται πάνω τους πολύ µεγάλες υδροδυναµικές και ορµητικές δυνάµεις µε αποτέλεσµα η φόρτιση τσουνάµι να γίνεται πολύ δυσµενής για µια κατασκευή µε τοιχώµατα ΟΡΟΦΟ ΚΤΙΡΙΟ Από τα αποτελέσµατα που πάρθηκαν από τα τριώροφα κτίρια, θεωρήθηκε ως καλύτερη λύση για φόρτιση τσουνάµι το πλαισιακό σύστηµα. Στην υποενότητα αυτή θα ελεγχθεί η λειτουργία ενός ψηλότερου πλαισιακού κτιρίου για το ίδιο τσουνάµι σχεδιασµού ΠΛΑΙΣΙΑΚΟ ΚΤΙΡΙΟ Το κτίριο που σχεδιάστηκε σύµφωνα µε τους Ελληνικούς κανονισµούς, διαστάσεων 20mΧ18m, αποτελείται από υποστυλώµατα 45cm/45cm. Οι διαστάσεις παρέµειναν ίδιες και µετά το σχεδιασµό για τσουνάµι. Ωστόσο και εδώ απαιτήθηκε µικρή αύξηση του βάθους θεµελίωσης για τους ίδιους λόγους που αναφέρθηκαν και παραπάνω στα τριώροφα κτίρια. Σχήµα 15: Κάτοψη 7όροφου πλαισιακού Σχήµα 16: 3D 7όροφου πλαισιακού ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Συγκρίνοντας τους οπλισµούς που προκύπτουν από το σχεδιασµό του 7όροφου για σεισµό και από το σχεδιασµό του ίδιου κτιρίου και για τσουνάµι, παρατηρούµε ότι οι αλλαγές στους οπλισµούς είναι πολύ µικρότερες και προκύπτουν σε ελάχιστα υποστυλώµατα. Συγκεκριµένα, στο ισόγειο, υπήρξαν πολύ µικρές αλλαγές στους οπλισµούς των κατακόρυφων στοιχείων που φαίνονται στην εικόνα παρακάτω. Σε όλα τα άλλα υποστυλώµατα ο οπλισµός δε µεταβλήθηκε καθόλου, ενώ σε όλον τον όροφο το συνολικό ποσοστό αύξησης του κατακόρυφου οπλισµού των υποστυλωµάτων είναι µικρότερο από 1%, δηλαδή αµελητέα αύξηση. Στους υπολοίπους ορόφους δεν παρατηρήθηκαν αλλαγές. "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

42 Καρακωνσταντής Βασίλειος, Περογιαννάκη Νικολέττα ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΤΣΟΥΝΑΜΙ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΤΣΟΥΝΑΜΙ Σχήµα 17: Κάτοψη ισογείου 7όροφου πλαισιακού Παρατηρούµε λοιπόν ότι το πολυώροφο κτίριο αποκρίνεται πολύ καλά σε µία τέτοια φόρτιση. 4. ΛΟΓΟΣ ΠΟΥ ΑΓΝΟΟΥΝΤΑΙ ΤΑ ΦΟΡΤΙΑ ΛΟΓΩ ΦΕΡΤΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ 4.1 ΚΡΟΥΣΤΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ Αν θεωρήσουµε ότι ένα τυπικό container 40ft (12.2m) συγκρούεται µε ένα υποστύλωµα του κτιρίου, η τιµή του κρουστικού φορτίου σύµφωνα µε την FEMA P646 δίνεται από τον παρακάτω τύπο: (11) όπου C m ο αθροιστικός συντελεστής µάζας, u max η µέγιστη ταχύτητα µε την οποία προσκρούει το container στο υποστύλωµα και m και k είναι η µάζα και η ενεργός δυσκαµψία του container αντίστοιχα. Σε αντίθεση µε άλλες φορτίσεις, τα κρουστικά φορτία θεωρείται ότι δρουν τοπικά σε ένα µόνο µέλος της κατασκευής και στο ύψος της επιφάνειας του νερού, όπως φαίνεται στο σχήµα 8. "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

43 Αποτίµηση της Συµπεριφοράς Κτιρίων Οπλισµένου Σκυροδέµατος σε Φόρτιση Τσουνάµι Σχήµα 18: Κρουστικό φορτίο [4] Τιµές για τη µάζα και την ενεργό δυσκαµψία συνηθισµένων φερτών δίνονται στον πίνακα 6 παρακάτω. Θεωρείται όµως ότι οι τιµές αυτές της δυσκαµψίας, που προτείνει η FEMA P646 είναι πολύ µεγάλες. Επιπλέον, δεν είναι συντηρητικό να χρησιµοποιηθεί η µάζα ενός άδειου container, όπως προτείνει η FEMA P646, καθώς είναι προφανές ότι οι πρόσκρουση µε ένα γεµάτο container θα έχει ως αποτέλεσµα την άσκηση πολύ µεγαλυτέρων δυνάµεων στην κατασκευή. Για πιο ακριβή τιµή της δυσκαµψίας ενός container, θα χρησιµοποιηθούν οι τιµές k του πίνακα 5, οι οποίες έχουν προκύψει από µετρήσεις διαφόρων container. Το χειρότερο σενάριο πρόσκρουσης είναι όταν µία από τις κάτω γωνίες του container συγκρουστεί µε ένα υποστύλωµα. [6] Η FEMA P646 προτείνει οµοιόµορφη κατανοµή της δύναµης αυτής, θεωρώντας ότι το container συγκρούεται πλευρικά µε το κτίριο. Είδος Container Πίνακας 5: Τιµές k και m για συνηθισµένα φερτά [4] Εµβαδόν Α (m 2 ) Μήκος L (m) Ενεργός δυσκαµψία k (kn/m) Μάζα γεµάτου (ton) ύναµη πρόσκρουσης F i (kn) 40ft 1.98E ft 1.34E Πίνακας 6: Τιµές k και m [6] 4.2 ΦΟΡΤΙΑ ΤΥΠΟΥ "ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ" Όπως αναφέρθηκε και στην ενότητα 2.6, οι δυνάµεις αυτές µπορούν να θεωρηθούν σαν µία ενισχυµένη από το πλάτος του συσσωρεύµατος υδροδυναµική δύναµη που ασκείται στο "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

44 Καρακωνσταντής Βασίλειος, Περογιαννάκη Νικολέττα µέτωπο της κατασκευής. Η τιµή της δύναµης αυτής δίνεται από την εξίσωση (6). Σύµφωνα µε την FEMA P646, προτείνεται σαν ελάχιστο πλάτος του συσσωρεύµατος τα 40ft (12.2m) το οποίο θα αντιπροσωπεύει την πλευρά ενός container ή τη µάζα ενός πλέοντος ξύλου. Η επίδραση του φορτίου αυτού πρέπει να ασκηθεί σε διάφορα σηµεία της κατασκευής για να βρεθεί η πιο κρίσιµη θέση στο κτίριο. [4] Υπάρχουν διάφορα σενάρια εφαρµογής του φορτίου αυτού στο κτίριο. Το χειρότερο είναι όταν ένα τέτοιο φράγµα σφηνωθεί µεταξύ δύο υποστυλωµάτων. Η υδροδυναµική δύναµη που θα προκύψει από την σχέση (6) θα πρέπει να µοιραστεί στα δύο αυτά υποστυλώµατα. Αν αντικαταστήσουµε την τιµή του πλάτους στην προαναφερθείσα σχέση, προκύπτει για την δύναµη φράγµατος η τιµή F dm = kn. Είναι προφανές, ότι στο παραπάνω σενάριο τα υποστυλώµατα θα πρέπει να σχεδιαστούν να αντέχουν πολύ µεγάλες δυνάµεις. 4.3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΤΑ ΙΑΚΗΣ ΚΑΤΑΡΡΕΥΣΗΣ Είναι προφανές από τα παραπάνω ότι οι δυνάµεις λόγω φερτών από το νερό αντικειµένων, µπορεί να είναι τόσο µεγάλες που καθιστούν παράλογο και αντιοικονοµικό το σχεδιασµό για τις δυνάµεις αυτές. Γι' αυτό προτείνεται η µείωση της πιθανότητας δυσανάλογης κατάρρευσης εξαιτίας της απώλειας ενός ή περισσοτέρων δοµικών µελών. Αυτό γίνεται µε την ανάλυση σταδιακής κατάρρευσης. Βέβαια, η απόφαση του αν θα γίνει ή όχι µία τέτοια ανάλυση εξαρτάται από την τοποθεσία και από το είδος των φερτών που θα µπορούσαν να χτυπήσουν την κατασκευή. Υπάρχουν δύο κύριες µέθοδοι τέτοιας ανάλυσης. Η πρώτη, ονοµαζόµενη στα Αγγλικά "Tie Force Strategy", προτείνει την χρήση συνεχούς οπλισµού στις δοκούς και στις πλάκες, ώστε αν ένα υποστύλωµα αστοχήσει, ο οπλισµός αυτός να ανακατανείµει το φορτίο στο υπόλοιπο κτίριο. Η δεύτερη ("Missing column strategy"), προτείνει την αφαίρεση ενός υποστυλώµατος και τη χρήση εννοιών πλαστικού σχεδιασµού για την αξιολόγηση της δυνατότητας των περιβαλλόντων δοµικών µελών να συνεχίσουν να φέρουν τα κατακόρυφα φορτία. Αυτή η µέθοδος, όσον αφορά το τσουνάµι, περιορίζεται στην αφαίρεση µόνο ενός εξωτερικού υποστυλώµατος αφού το κρουστικό φορτίο ή το φορτίο φράγµατος θα συµβεί κατά πάσα πιθανότητα στα εξωτερικά υποστυλώµατα. [4] 5. ΣΤΟΧΟΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στόχος αυτής της εργασίας ήταν ο αντισεισµικός σχεδιασµός κτιρίων Ο.Σ. βάσει των Ελληνικών Κανονισµών [2],[3] και η αποτίµησή τους για φόρτιση τσουνάµι σύµφωνα µε τον Αµερικάνικο Κανονισµό FEMA P646. Τα αποτελέσµατα αυτής της εργασίας ισχύουν υπό ορισµένες προϋποθέσεις φόρτισης, εφόσον η επιρροή κάποιων φορτίων αγνοήθηκε, και υπό την προϋπόθεση ότι τα µη δοµικά µέλη, όπως αρχιτεκτονικοί τοίχοι, αστοχούν και δεν επηρεάζουν τη φόρτιση τσουνάµι στα δοµικά µέλη. Τα συµπεράσµατα που προκύπτουν από την εργασία αυτή είναι τα ακόλουθα: Τα αποτελέσµατα αποδεικνύουν αυτό που αναφέρθηκε και στην εισαγωγή, ότι δηλαδή ακόµη και ένα µικρό τσουνάµι µπορεί να προκαλέσει σηµαντικές βλάβες. Κτίρια Ο.Σ µπορούν να σχεδιαστούν, ώστε να αντέχουν φορτίσεις τσουνάµι παρόµοιου µεγέθους µε αυτό που θεωρήθηκε σ' αυτήν την εργασία. Ο αντιτσουναµικός σχεδιασµός των 3όροφων κτιρίων, έδειξε ότι απαιτούνται πολύ µεγάλες αυξήσεις στους οπλισµούς των κατακόρυφων στοιχείων, ιδιαίτερα στους ορόφους που πλήττονται από το τσουνάµι, καθώς και σηµαντικές αυξήσεις κάποιων διατοµών κατακόρυφων µελών στην περίπτωση του δυαδικού συστήµατος. Άρα χαµηλές αντισεισµικές κατασκευές, πολύ πιθανόν να χρειαστούν σηµαντικές ενισχύσεις ώστε να µπορούν να αντισταθούν σε ένα τέτοιο τσουνάµι. "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

45 Αποτίµηση της Συµπεριφοράς Κτιρίων Οπλισµένου Σκυροδέµατος σε Φόρτιση Τσουνάµι Πλαισιακά πολυώροφα κτίρια, σχεδιασµένα σύµφωνα µε ΕΚΩΣ 2000 και ΕΑΚ2003 και για περιοχή σεισµικής επικινδυνότητας ΙΙ πιθανόν να µη χρειάζονται κάποια ενίσχυση ώστε να µπορούν να αντιστέκονται σε φορτία τσουνάµι. Πρόσκρουση µε container, καθώς και υδροδυναµικές δυνάµεις φράγµατος σε ορισµένες δυσµενείς θέσεις στο κτίριο, πιθανότατα θα ξεπεράσουν την διατµητική και καµπτική αντοχή µεµονωµένων υποστυλωµάτων. Γι' αυτό το λόγο προτείνεται το κτίριο να σχεδιαστεί ώστε να αποφευχθεί σταδιακή κατάρρευση στην περίπτωση αστοχίας κολώνας 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] L.H. Λογισµική, " Fespa 10 for Windows, Έκδοση ", Αθήνα 2011 [2] ΕΚΩΣ Ελληνικός Κανονισµός Ωπλισµένου Σκυροδέµατος [3] ΕΑΚ Ελληνικός Αντισεισµικός Κανονισµός [4] FEMA, 2008, Guidelines for Design of Structures for Vertical Evacuation from Tsunamis, FEMA P646 Report, Federal Emergency Management Agency, Washington D.C (Chapter 6, p.69-89) [5] Pacheco, K. and Robertson, I.N., 2005, Evaluation of Tsunami Loads and Their Effect on Reinforced Concrete Buildings, Research Report UHM/CEE/05-06, University of Hawai'i at Manoa, Honolulu, Hawai'i. (Chapter 7, pg. 117) [6] Mikhaylov, Y. and Robertson, I.N., 2009, Evaluation of Prototypical Reinforced Concrete Building Performance when Subjected to Tsunami Loading, Research Report UHM/CEE/09-01, University of Hawai'i at Manoa, Honolulu, Hawai'i. (Chapter 2, pg12,14-16, 24, 26- Chapter 5, pg.53, 55, 61) [7] Mohamed, A., 2008, Characterization of Tsunami-Like Bores in Support of Loading on Structures, University of Hawai'i at Manoa, Honolulu, Hawai'i. (Chapter 5, pg.37, 42) [8] Steven N. Ward and Simon Day (2001). "Cumbre Vieja Volcano Potential collapse and tsunami at La Palma, Canary Islands". Geophys. Res. Let. 28: [9] Haugen K, Lovholt F, Harbitz C, K; Lovholt, F; Harbitz, C (2005). "Fundamental mechanisms for tsunami generation by submarine mass flows in idealised geometries". Marine and Petroleum Geology 22 (1-2): [10] [11] [12] [13] C%CE%BC%CE%B9 [14] "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

46 Καρακωνσταντής Βασίλειος, Περογιαννάκη Νικολέττα "18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών" Πάτρα, Φεβρουάριος

47 Αποτίµηση και Επισκευή-Ενίσχυση Κατασκευών ΟΣ σε Θαλάσσιο Περιβάλλον ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΣΚΕΥΗ-ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΟΣ ΣΕ ΘΑΛΑΣΣΙΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΜΥΣΤΗΛΙΑ Η ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ Περίληψη Το θαλάσσιο περιβάλλον αποτελεί ένα από τα πιο απειλητικά για το οπλισµένο σκυρόδεµα περιβάλλοντα. Έτσι, το πρόβληµα της επισκευής τέτοιων κατασκευών προκαλεί το ενδιαφέρον ειδικά καθώς οι καταγραφές περιπτώσεων αστοχίας κατασκευών καθαρά λόγω επίδρασης θαλάσσιου περιβάλλοντος αυξάνονται γοργά. Πόσο µάλλον σε χώρες όπως η Ελλάδα, που όχι µόνο περιβρέχεται από θάλασσα αλλά το πρόβληµα εντείνεται και από τη σηµαντική σεισµικότητα. Η παρούσα εργασία παρουσιάζει µια σύντοµη επισκόπηση της επιρροής του θαλάσσιου περιβάλλοντος στις κατασκευές και συγκεντρώνει κάποιους βασικούς σύγχρονους τρόπους αποτίµησης και επισκευής τους. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ευαισθησία της πλειοψηφίας του υφιστάµενου κτιριακού αποθέµατος σε δοµικές ζηµιές εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από την ποιότητα του σχεδιασµού, τη λεπτοµερειακή ανάλυση και την ποιοτική και πιστή στο σχεδιασµό κατασκευή. Επιπλέον δυσχέρειες συναντώνται, βέβαια, σε επιθετικά περιβάλλοντα είτε προς τη φύση των υλικών είτε από την άποψη σχεδιασµού, κατά τον οποίο µπορεί να µην συνυπολογίστηκαν επαρκώς τυχηµατικά φορτία όπως ανακυκλιζόµενες φορτίσεις, φορτία κρούσης, περιπτώσεις, δηλαδή, συνδεδεµένες εν προκειµένω και µε το θαλάσσιο περιβάλλον. Είναι σηµαντικό, εποµένως, κατά το σχεδιασµό των επισκευών και παλαιότερων δοµών να υιοθετείται µια συνολική στρατηγική, παρόµοια µε αυτές που χρησιµοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια του σχεδιασµού, καθώς και να προηγείται αναλυτική γνώση του τρόπου σχεδιασµού και λειτουργίας των µελών τους αλλά και των µηχανισµών που επέφεραν τη φθορά της εκάστοτε κατασκευής. Περνώντας στο στάδιο της επισκευής, έχει ιδιαίτερη σηµασία να υιοθετούνται στοχευµένες µέθοδοι, κατάλληλες για την εκάστοτε περίπτωση, ώστε να επιτυγχάνεται η µέγιστη δυνατή αποτελεσµατικότητα στα επιτρεπτά και συµφέροντα επίπεδα κόστους. Οι κατασκευές σε επαφή µε τη θάλασσα παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, τόσο λόγω της πολλαπλότητας των παραγόντων που επιδρούν σε αυτές, όσο και λόγω τις πρακτικής δυσκολίας επέµβασης, σε αρκετές περιπτώσεις. Επίσης, οι κατασκευές αυτές είναι κατά κύριο λόγο τέτοιου µεγέθους, κόστους αλλά και λειτουργίας που η καταστροφή και ανακατασκευή τους είναι µάλλον απαγορευτική. Το ίδιο το θαλάσσιο περιβάλλον είναι αρκετά επιβλαβές, εντούτοις κι άλλοι παράγοντες επηρεάζουν την πρόωρη φθορά λόγω διάβρωσης, όπως: κακή ποιότητα κατασκευής, ως αποτέλεσµα της κακής εργασίας(πχ. ελλειπής συµπύκνωση), ανεπαρκή πρότυπα που βασίζονται σε επιτακτικά µέτρα και κακός σχεδιασµός, ως αποτέλεσµα της ανεπαρκούς πληροφόρησης αναφορικά µε τις παραµέτρους που επηρεάζουν τη διαδικασία υποβάθµισης. 2. ΘΑΛΑΣΣΙΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ-ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΑΠΟ Ο.Σ. Η ανταπόκριση της κατασκευής στους περιβαλλοντικούς παράγοντες µπορεί να προσδιοριστεί σύµφωνα µε: - Συνθήκες θερµοκρασίας T(x,y,z,t). - Συνθήκες υγρασίας RH(x,y,z,t), TOW (Time of wetness-διάρκεια έκθεσης στην υγρασία). - Συνθήκες χλωριόντων. Cl (x, y, z, t). - Βάθος Ενανθράκωσης CO2 (x, y, z, t).[1] Παραθαλάσσιο περιβάλλον, σύµφωνα µε τον ΕΚΩΣ 2000, ορίζεται µια ζώνη βάθους µέχρι και ένα χιλιόµετρο από την ακτή.* Το θαλάσσιο περιβάλλον χαρακτηρίζεται από: (1) 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Σκυροδέµατος Πάτρα, Φεβρουάριος

48 Μυστηλιάδη Αναστασία Χηµική σύσταση του θαλασσινού νερού, (2) Θερµοκρασία στο θαλασσινό νερό, (3) Ύψη κυµάτων, (4) Υδροστατική πίεση, (5) Παλιρροιακές δράσεις, (6) Στάθµη νερού (7) Οµίχλη και ψεκασµός (8) Ρεύµατα.[1] * Σύµφωνα µε πιο συντηρητικές προσεγγίσεις, θεωρείται ζώνη βάθους 1,11-3,22 χλµ. [4] ή και 10 χλµ.(αποδίδοντας αυτό το µεγάλο εύρος στο αερόφερτο αλατούχο νέφος).[1] λόγω και των τοπικών γεωµορφολογικών και περιβαλλοντικών συνθηκών. Το θαλάσσιο περιβάλλον επιδρά µε πολύπλοκους µηχανισµούς στο σκυρόδεµα, διότι συνδυάζει πολλές φυσικές και χηµικές αντιδράσεις: - Υδροφθορά - Επίδραση παγετού τήξεως - Επίδραση CO 2 ατµόσφαιρας - Επίδραση αλάτων νερού (κυρίως θειικών και χλωριούχων αλλά και ιδιαίτερα του µαγνησίου) - Επίδραση αλκαλίων (νατρίου και καλίου) - Σχηµατισµός βιολογικής µεµβράνης στην επιφάνεια του σκυροδέµατος.[5] Προτείνεται η διαίρεση του θαλάσσιου περιβάλλοντος σε τέσσερις διαφορετικές ζώνες, ανάλογα µε τη θέση της στάθµης του νερού: Ζώνη υπό το νερό. Η ζώνη η οποία είναι µονίµως κάτω από τη στάθµη του νερού (κατώτερη παλιρροιακή). Σε αυτή, το σκυρόδεµα θεωρείται προστατευµένο λόγω της συνεχούς διαβροχής, η οποία προσφέρει οµοιόµορφο περιβάλλον όσον αφορά τη θερµοκρασία και την περιεκτικότητα σε υγρασία (αποφυγή παγετού και µηχανικής δράσης λόγω µεταβολής του όγκου σκυροδέµατος από εναλλασσόµενη διαβροχή-ξήρανση) Παλιρροιακή ζώνη. Η ζώνη µεταξύ χαµηλής και υψηλής παλίρροιας, όπου το σκυρόδεµα υποβάλλεται σε περιοδική ύγρανση και ξήρανση (µε κύκλο περίπου δώδεκα ώρες). Ζώνη παφλασµού. Η ζώνη πάνω από το επίπεδο της παλίρροιας η οποία επηρεάζεται από τα κύµατα, πράγµα που σηµαίνει ότι το σκυρόδεµα υποβάλλεται σε τυχαία ύγρανση και ξήρανση, λόγω των κυµατικών δράσεων. Στις δύο τελευταίες εµφανίζεται η µεγαλύτερη φθορά, καθώς συνδυάζονται: µηχανική φθορά από πρόσκρουση κυµάτων, παγετός, χηµική επίδραση αλάτων, ενανθράκωση λόγω ατµοσφαιρικού CO 2 Ζώνη έκθεσης. Η ζώνη πάνω από τη ζώνη εκκίνησης, όπου το σκυρόδεµα υπόκειται σε υγρό και αλατούχο θαλάσσιο αέρα.[1,6] 3. ΙΑΒΡΩΣΗ Η Αµερικανική Ένωση Μηχανικών ιάβρωσης (NACE) ορίζει τη διάβρωση ως «την επιδείνωση ενός υλικού, συνήθως µέταλλου, που προκύπτει από την αντίδραση µε το περιβάλλον του." Η βασική αιτία της διάβρωσης είναι η αστάθεια των µετάλλων στην εκλεπτυσµένη µορφή τους. Τα µέταλλα τείνουν να επανέλθουν στη φυσική τους κατάσταση, µέσω των διαδικασιών της διάβρωσης. Κοινό παράδειγµα αποτελεί η περίπτωση του σιδήρου. Όταν νερό της βροχής έρχεται σε επαφή µε το σίδερο, σχηµατίζει σκουριά. Αυτή η σκουριά, ή οξείδιο του σιδήρου, είναι η αρχική κατάσταση του σιδήρου, σε σιδηροµετάλλευµα. Κατηγορίες χηµικής διάβρωσης: ιάβρωση αποπλύσεως: Προκαλείται από µαλακό νερό, υδροχλωρικό οξύ, ανθρακικό οξύ. Αφαίρεση τµήµατος ή όλου του τσιµεντοπολτού. εν εµφανίζεται σε πυκνό σκυρόδεµα. ιάβρωση αντιδράσεων ανταλλαγής µάζας: Προκαλείται από οξέα άλατα, φαινόλες κ.α. Τα προϊόντα είτε είναι ευδιάλυτα οπότε αποπλένονται είτε παραµένουν στο σκυρόδεµα χαλαρώνοντας τη συνάφεια αδρανών και τσιµεντοπολτού. ιάβρωση λόγω διογκώσεως: προκαλείται από θειικά άλατα κυρίως. Τα προϊόντα είναι σταθερά αλλά µεγάλου όγκου. Έτσι προκαλείται ρηγµάτωση λόγω των τάσεων από τις διογκώσεις εντός του σκυροδέµατος.[5] 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Σκυροδέµατος Πάτρα, Φεβρουάριος

49 Αποτίµηση και Επισκευή-Ενίσχυση Κατασκευών ΟΣ σε Θαλάσσιο Περιβάλλον Σκυρόδεµα Η διείσδυση των χλωριόντων δεν επηρεάζεται µόνο από τις περιβαλλοντικές δράσεις, αλλά και από την εκτέλεση της κατασκευής, την αναλογία του κονιάµατος και τις πιθανές επιφανειακές επεξεργασίες, π.χ. υδρόφοβες επεξεργασίες[1]. Το σκυρόδεµα είναι ένα χαρακτηριστικά πορώδες υλικό. Παρά τις όσες βελτιώσεις στη διαµόρφωση και την κατασκευή, µικροπόροι και µικροκενά θα υπάρχουν στην επιφάνεια του. Αυτά τα ελαττώµατα θα ενθαρρύνουν τη µεταφορά των επιθετικών παραγόντων στο σώµα του σκυροδέµατος, δεδοµένου ότι οι ρωγµές, το βάθος και η ποιότητα του επικαλύπτοντος σκυροδέµατος είναι οι τρεις παράγοντες που επηρεάζουν τη διείσδυση αυτών των παραγόντων[6]. Αυτό σηµαίνει ότι, πριν από την αξιολόγηση της διείσδυσης χλωριόντων και της υγρασίας, σε µια κατασκευή από σκυρόδεµα, πρέπει να εκτιµώνται τα χαρακτηριστικά του κονιάµατος που χρησιµοποιήθηκε και η επιρροή πιθανής επιφανειακής επεξεργασίας[1].οι επιφανειακές επιστρώσεις επί του σκυροδέµατος διαδραµατίζουν σηµαντικό ρόλο στη διακύµανση της αντοχής του ίδιου και του ενσωµατωµένου σε αυτό χάλυβα.[6] Το σκληρυµένο σκυρόδεµα, σε γενικές γραµµές, δεν προσβάλλεται από τα χλωριόντα ασβέστιου, κάλιου και νάτριου που υπάρχουν στο νερό της θάλασσας και στα παράκτια περιβάλλοντα. Προσβάλλεται, ωστόσο, από χλωριούχο µαγνήσιο, θειούχα άλατα και το διαλυµένο διοξείδιο του άνθρακα. Απλοποιηµένη µορφή αντιδράσεων που λαµβάνουν µέρος: MgCl 2 +Ca(OH) 2 CaCl 2 +Mg(OH) 2 CaCl 2 +C 3 A+10H 2 O C 3 A.CaCl 2.10H 2 O MgSO 4 +Ca(OH) 2 CaSO 4 +Mg(OH) 2 CaSO 4 + C 3 A+32H 2 O C 3 A.3CaSO 4.32H 2 O Όπου CaCl 2, CaSO 4 ευδιάλυτα, οπότε πραγµατοποιείται απόπλυση Mg(OH) 2 δρα ως στεγανωτικό επίχρισµα C 3 A.3CaSO 4.32H 2 O (ετρινγκίτης) διογκώνεται [5] Σχήµα 1: ιάβρωση κατά ζώνες [5] Χάλυβας Η πλειοψηφία των προβληµάτων της αντοχής δοµών, εντός του θαλάσσιου περιβάλλοντος, προέρχεται από τη διάβρωση του οπλισµού. Το σκυρόδεµα δηµιουργεί ένα περιβάλλον υψηλής αλκαλικότητας (ph 12,5) που προστατεύει το χάλυβα από τη διάβρωση, επιτρέποντας το σχηµατισµό ενός λεπτού στρώµατος οξειδίου του σιδήρου στην επιφάνειά τους (παθητικοποίηση χάλυβα). Η διάβρωση µπορεί να αρχίσει όταν καταστραφεί αυτό το προστατευτικό στρώµα.[9] Το περιβάλλον αυτό µπορεί να καταστραφεί από ενανθράκωση ή από επίθεση χλωριόντων (συγκέντρωση πάνω από µια κρίσιµη τιµή)[9]. Έτσι, επέρχεται 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Σκυροδέµατος Πάτρα, Φεβρουάριος

50 Μυστηλιάδη Αναστασία µείωση του ph,σε τιµές κάτω του 9. Σε θαλάσσιο περιβάλλον, παράκτιες περιοχές και εκεί που γίνεται χρήση αλάτων τήξης χιονιού, η διείσδυση χλωριόντων είναι ο κύριος µηχανισµός έναρξης και συντήρησης της διάβρωσης του οπλισµού. Μόλις το αλκαλικό περιβάλλον στο εσωτερικό του σκυροδέµατος καταστραφεί και διαβρωτικοί παράγοντες, όπως το οξυγόνο και η υγρασία είναι διαθέσιµοι, ξεκινά η διάβρωση του χάλυβα. Τα προϊόντα της διάβρωσης είναι ογκώδη, 8 έως 10 φορές µεγαλύτερου όγκου σε σχέση µε το βασικό µέταλλο. Έτσι για να συνεχιστεί η παραγωγή τους ασκούνται τάσεις εφελκυσµού στο γύρω σκυρόδεµα. Η ένταση που ασκείται τείνει να προκαλέσει ρωγµές και, τελικά, θρυµµατισµό του σκυροδέµατος µακριά από την ενίσχυση. Η διάβρωση του χάλυβα µειώνει, κατά συνέπεια, την αντοχή και το ωφέλιµο φορτίο µειώνοντας την περιοχή του χάλυβα, καθώς και δηµιουργώντας ρωγµές στο κάλυµµα σκυροδέµατος.[3] Ο τρόπος µε τον οποίο διαβρώνεται ο χάλυβας ποικίλει σηµαντικά ανάλογα µε την αιτία διάβρωσης. ιακρίνονται οι εξής µορφές διάβρωσης: Γενική ή οµοιόµορφη: όταν η αλκαλικότητα του σκυροδέµατος έχει χαθεί σε ευρεία περιοχή (από απόπλυση του Ca(OH) 2, ενανθράκωση ή επίδραση θειικών και ανθρακικών αλάτων) Τοπική i) ιάβρωση κατά βελονισµό: οφείλεται αποκλειστικά στην επίδραση χλωριόντων ii) Μικρορηγµατώδης: φαινόµενο ανάλογο µε το παραπάνω µε τη διαφορά ότι αρχίζει σε µικροκοιλότητες και µικρορωγµές, δηλαδή ατέλειες στην επιφάνεια του χάλυβα iii) Μεταξύ κόκκων: η µορφή αυτή εµφανίζεται στο εσωτερικό του χάλυβα και είναι υπεύθυνη για τη διαφορά δυναµικού µεταξύ γειτονικών περιοχών του σιδήρου. Αποφεύγεται µε χρήση χάλυβα περιεκτικότητας άνθρακα µικρότερης από 0,05% Λόγω διαφοράς δυναµικού i) Γαλβανική: αναπτύσσεται σε περιοχές όπου ο χάλυβας έρχεται σε επαφή µε άλλα µέταλλα και γίνεται ιδιαίτερα επικίνδυνη παρουσία χλωριούχων ή θειικών αλάτων (ήτοι και στο θαλάσσιο περιβάλλον) ii) Ηλεκτρολυτική: αποτέλεσµα άµεσης εφαρµογής ρεύµατος από εξωτερική πηγή, στην περιοχή εξόδου του ρεύµατος. ιάβρωση υπό µηχανική τάση: αφορά τους προεντεταµένους χάλυβες. εν παρατηρείται απώλεια διατοµής λόγω διάβρωσης. Οφείλεται στον συνδυασµό διαβρωτικού περιβάλλοντος και ανάπτυξης πρόσθετης διαφοράς δυναµικού εντός του χάλυβα, υπό µηχανική τάση. Παρατηρείται ότι τα χλωριόντα επιταχύνουν πολύ τη διάβρωση όλων των χαλύβων, εκτός από αυτούς που περιέχουν µεγάλες ποσότητες νικελίου[5]. Σχήµα 2: Βασικός µηχανισµός διάβρωσης χάλυβα [5] Κάτω από την επιφάνεια του νερού, πολύ λίγο οξυγόνο είναι διαθέσιµο να σχηµατίσει µια κάθοδο, αλλά στη ζώνη παφλασµού και στην παλιρροϊκή ζώνη, άφθονο οξυγόνο και υγρασία (σε αέρια µορφή) είναι διαθέσιµη. Έτσι, αυτές οι περιοχές γίνονται κάθοδοι, ενώ οι περιοχές 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Σκυροδέµατος Πάτρα, Φεβρουάριος

51 Αποτίµηση και Επισκευή-Ενίσχυση Κατασκευών ΟΣ σε Θαλάσσιο Περιβάλλον µε τη διείσδυσή των ιόντων χλωρίου γίνονται άνοδοι, µε αποτέλεσµα τη διάβρωση του οπλισµού. Συγκεντρωτικά, λοιπόν, οι συνέπειες από την διάβρωση του σιδηροοπλισµού είναι γνωστές και σχετίζονται µε: την µείωση της ενεργού διατοµής του, την σταδιακή απώλεια της συνάφειάς του µε το σκυρόδεµα, την σχετική αύξηση του όγκου από 3 µέχρι 8 φορές της µάζας που διαβρώνεται, τις µικρορηγµατώσεις στο σκυρόδεµα, την εκτίναξη της επικάλυψης και φυσικά την µείωση της διατοµής του σκυροδέµατος. Σε πρόσφατες µελέτες διάβρωσης του σιδηρού οπλισµού (Apostolopoulos et all 2008;Apostolopoulos 2009) καταγράφηκε σηµαντική υποβάθµιση των µηχανικών ιδιοτήτων αντοχής και ολκιµότητας διαβρωµένων ράβδων σιδηροοπλισµού S220 (StI), S400 (St III), S500s Tempcore και Β500c (StIV).[10] 4. ΤΡΟΠΟΙ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗΣ - ΕΛΕΓΧΟΙ ΒΑΘΜΟΥ ΕΠΙΡΡΟΗΣ Η ηλεκτρική αντίσταση του σκυροδέµατος (ή η αγωγιµότητα) θα µπορούσε να έχει πρακτική σηµασία για την εκτίµηση της ανθεκτικότητας του σκυροδέµατος. Επιπλέον, όταν η παθητικότητα έχει χαθεί, η έρευνα δείχνει ότι ο πιο σηµαντικός παράγοντας που επηρεάζει την ταχύτητα διάβρωσης του χάλυβα οπλισµού είναι η αντίσταση του γύρω σκυροδέµατος[8]. Είναι σηµαντικό να είναι δυνατός ο προσδιορισµός των κριτήριων που µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να καθορίσουν το τέλος της λειτουργικής ζωής των δοµών, στο θαλάσσιο περιβάλλον. Τα πιο κοινά από αυτά τα κριτήρια είναι ο χρόνος παθητικοποίησης του χάλυβα, οι ρωγµές του καλύπτοντος σκυροδέµατος και το σηµείο στο οποίο η εναποµένουσα φέρουσα ικανότητα της δοµής θεωρείται ανεπαρκής. Για τις δοµές που είναι ήδη διαβρωµένες, το κριτήριο της παθητικοποίησης του χάλυβα έχει µικρή αξία. Τα πλάτη των ρωγµών και η φέρουσα ικανότητα, συνεπώς, συχνά χρησιµοποιείται για να καθορίσει το τέλος της λειτουργικής ζωής των εν λόγω δοµών.[3] Μετρήσεις στο πεδίο: Οπτική επιθεώρηση: ρωγµές (µέτρηση µήκους και πλάτους[2]), αποχρωµατισµός, αποφλοίωση του επενδυτικού στρώµατος Μη καταστρεπτικές µέθοδοι: παλµική ταχύτητα (τρια σηµεία), ηµικυψελικό δυναµικό (ανά διαστήµατα των 100mm), αντίσταση πόλωσης, αντίσταση σκυροδέµατος, ρεύµα µεταξύ χάλυβα οπλισµού (10sec) Εργαστηριακές µετρήσεις: Έλεγχος ενανθράκωσης: µέθοδος φαινολοφθαλεϊνης[8] Σε θραύσµα σκυροδέµατος ψεκάζεται διάλυµα µε φαινολοφθαλεινη 1%. Εάν η επιφάνεια επιχρωµατιστεί σε απόχρωση ελαφρού µοβ µαρτυρά την παρουσία Ca(OH) 2, οπότε δεν έχει γίνει ενανθράκωση. Αντίθετα ένδειξη ενανθράκωσης είναι η µη αλλαγή χρώµατος.[2] Έλεγχος συγκέντρωσης χλωριόντων: ποτενσιοµετρική ογκοµέτρηση[8] Σε φρέσκο θραύσµα σκυροδέµατος ψεκάζεται διάλυµα µε AgNO 3 1%. Έχει παρατηρηθεί ότι σε περιοχές που έχουν προσβληθεί τα χλωριόντα κυµαινονταν σε 0,12 µε 0,28 (wt.per cement) ενώ σε µη µολυσµένες στα 0,06 µε 0,12.[2] Περίθλαση ακτίνων Χ: µε στόχο: Cu, 40 kv-80 ma, slit: 1±-1±-0.15 mm Καµπτική δοκιµή: εφαρµογή καθαρής κάµψης, µε δυο συγκεντρωµένα φορτία (απόσταση στηρίξεων: 900 mm, απόσταση φορτίων: 200mm)[8] Πρακτικά, επιπλέον, χρησιµοποιούνται οι παρακάτω έλεγχοι: - Προσδιορισµός αντοχής µε χρήση σφυριού Schmidt και από δείγµατα πυρήνα - Μικροσκοπικές εξετάσεις της ραγισµένης επιφάνειας και της διεπιφάνειας οπλισµού µήτρας σκυροδέµατος (παρουσία ετρινγκιτη µαρτυρά διάβρωση) - Μέτρηση ηλεκτρικού δυναµικού (µέθοδος που απαιτεί αρκετά εξειδικευµένη γνώση για την κατανόηση των αποτελεσµάτων, καθώς και εµπειρία εφαρµογής)[2]. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Σκυροδέµατος Πάτρα, Φεβρουάριος

52 Μυστηλιάδη Αναστασία 1)Γενικά, οι τεχνικές µη ηλεκτροχηµικού ελέγχου εντοπίζουν τη διάβρωση του χάλυβα σε προχωρηµένο στάδιο. Εποµένως, µπορούν να χρησιµοποιηθούν περισσότερο σαν εκτιµήτριες του µεγέθους επέµβασης και όχι για την αποτίµηση της κατασκευής. 2)Οι τεχνικές ηλεκτροχηµικής παρατήρησης είναι πολύ ευαίσθητες και στην περίπτωση µετρήσεων µακροκυψελικού ρεύµατος παρέχουν άµεση απόδειξη της διαβρωτικής δραστηριότητας. Οι έρευνες δυναµικού χρησιµοποιούνται ευρέως για επί τόπου αποτίµηση. Ωστόσο, λόγω των περιπλοκών της συµπεριφοράς του συστήµατος, δεν µπορεί να χρησιµοποιούνται ως καθοριστικές µελέτες της διαβρωτικής φάσης του χάλυβα. Σχήµα3: Λειτουργική ζωή των υπό διάβρωση κατασκευών ΟΣ-a) πλάτη ρωγµών, b) φέρουσα ικανότητα Σηµείωση: Αποδεικνύεται ότι το επίπεδο διάβρωσης του χάλυβα που προκαλεί τις πρώτες ρωγµές του σκυροδέµατος έχει ελάχιστη επίδραση στην φέρουσα ικανότητα της κατασκευής. Έτσι, στο τέλος της διάρκειας ζωής µιας υπό διάβρωση κατασκευής µε βάση το κριτήριο της αποµένουσας φέρουσας ικανότητας της δοµής του εκτείνεται πολύ πέρα από τη διάρκεια λειτουργικής ζωής µε βάση το κριτήριο του πλάτους των ρωγµών.[3] 5.ΠΡΟΤΙΝΟΜΕΝΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΕΠΕΜΒΑΣΗΣ Επιβάλλεται συχνά η επισκευή των διαβρωµένων κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος, ώστε αυτές να διατηρήσουν ή να αποκαταστήσουν τη λειτουργικότητα τους. Η αποτελεσµατικότητα της παρέµβασης µπορεί να αξιολογηθεί µε βάση είτε το πλάτος ρωγµής διάβρωσης, ή της αποµένουσας φέρουσας ικανότητας. Είναι ενδιαφέρον ότι και τα δύο κριτήρια είναι στενά συνδεδεµένα µε το επίπεδο διάβρωσης του χάλυβα. Συνεπώς, είναι 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Σκυροδέµατος Πάτρα, Φεβρουάριος

53 Αποτίµηση και Επισκευή-Ενίσχυση Κατασκευών ΟΣ σε Θαλάσσιο Περιβάλλον επίσης σηµαντικό να αξιολογηθεί η αποτελεσµατικότητα των επισκευών να επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής των διαβρωµένων δοµών µε βάση την ικανότητά τους να ελέγξουν την περαιτέρω διάβρωση του χάλυβα.[3] Θεµελιώδη βήµατα προπαρασκευής, ανεξαρτήτως του επιλεγόµενου υλικού αποτελούν τα εξής: - Αφαίρεση επιφανειακού σκυροδέµατος µέχρι να φτάσουµε στο υγειές[2]. Το περίγραµµα από το εξορυχθέν τµήµα δεν πρέπει να σβήνει αλλά να δηµιουργεί σκαλοπάτι και συνθήκες πακτώσεως των µετέπειτα υλικών σφράγισης - Αντικατάσταση των υπό διάβρωση ράβδων, εάν απαιτείται στατικά[12]. - Προετοιµασία της επιφάνειας χάλυβα µε αµµοβολή ή υδροβολή, προς αποµάκρυνση αποσαθρωµένου κονιάµατος, απολεπιζόµενης σκουριάς κλπ - Επάλειψη της καθαρής επιφάνειας σκυροδέµατος και του οπλισµού είτε µε κατάλληλο αντιδιαβρωτικό αστάρι δεσµών είτε µε πλούσιο τσιµεντοπολτό Συστατικά Υλικά Τα υλικά επισκευής πρέπει να πληρούν τις εξής προϋποθέσεις: Καλή πρόσφυση µε το υπόστρωµα Συµβατότητα µε συρρίκνωση και κινήσεις ύγρανσης-ξήρανσης του υποστρώµατος, καθώς και µηδενικής ή έστω µειωµένης συρρίκνωσης ξήρανσης προς αποφυγή εµφάνισης περιµετρικών ρηγµατώσεων, στην περιοχή της επέµβασης. Μικρή διαπερατότητα από νερό, οξυγόνο, διοξείδιο του άνθρακα και επιθετικά ιόντα όπως χλωριόντα, θειικά κλπ Ικανότητα παθητικοποίησης του χάλυβα Μακροπρόθεσµη αντοχή[2] Το σκυρόδεµα για υποβρύχιες επισκευές πρέπει να αναµειγνύεται προσεκτικά και να χρησιµοποιούνται πρόσθετα, τα οποία δεν ξεπλένονται, διατηρούν τη συνοχή του σκυροδέµατος και µαζεύουν το νερό των πόρων[13]. Προτεινόµενα Υλικά: Τσιµεντοκονίαµα µε πρόσµικτα όπως Styrene Buta diene Rubber (SBR) Εποξειδικές ρητίνες µε κατάλληλο φίλλερ Πολυεστερικές ρητίνες και εκτοξευόµενο σκυρόδεµα[2] Το µόνο συµβατικό αντιοξειδωτικό που µπορεί να εφαρµοσθεί είναι το βάσεως κόνεως ψευδαργύρου και αυτό µόνο µε την προϋπόθεση ότι έχει αποκαλυφθεί περιµετρικά ο οπλισµός και έχει αφαιρεθεί πλήρως η σκουριά.[12] Συγκεκριµένες προϋποθέσεις για τα υλικά δίνονται στην [7] Αναστολείς ιάβρωσης: έχουν σκοπό τόσο να καθυστερούν την έναρξη, όσο και να περιορίζουν το ρυθµό εξέλιξης της διάβρωσης του χάλυβα. Ως εκ τούτου, χρησιµοποιούνται ως πρόσθετα σε µορφή σκόνης σε κονιάµατα προστασίας του χαλύβδινου οπλισµού ή σαν αµιγώς υγρά διαλύµατα, τα οποία διεισδύουν στο σκυρόδεµα χωρίς την καθαίρεσή του, µε απλή επίχριση και προστατεύουν τον οπλισµό δηµιουργώντας µια προστατευτική στρώση στην επιφάνεια του χάλυβα[14]. Μανδύες από πολυµερικά φύλλα, όπως PVC, τα οποία τυλίγονται γύρω από την κολώνα και έχουν πάχος 30 60mm. Τα φύλλα αυτά αποτελούν ένα προστατευτικό στρώµα ανάµεσα στις κολώνες και στο νερό, δηµιουργούν αναερόβιες συνθήκες µε αποτέλεσµα να καταστρέφονται µικροοοργανισµοί που ζουν στη θάλασσα. Η συγκόλληση των φύλλων PVC στο σκυρόδεµα γίνεται µε κονιάµατα από τσιµέντο ή πολυµερικά κονιάµατα, συνήθως εποξειδικά. Τα συστήµατα αυτά είναι άοπλα και χρησιµοποιείται οπλισµός όταν το πάχος του κονιάµατος είναι αρκετό ώστε να χωρέσει αυτός[13]. Πειράµατα έδειξαν ότι οι αντοχές για τα ρευστοκονιάµατα που βρίσκονται κάτω από το νερό είναι παραπλήσιες µε αυτές που αντιστοιχούν σε αυτά πάνω από το νερό, όταν οι αντοχές των εποξειδικών ρητινών είναι περίπου 10% και των πολυεστερικών περίπου 35% 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Σκυροδέµατος Πάτρα, Φεβρουάριος

54 Μυστηλιάδη Αναστασία µικρότερες από αυτές που αντιστοιχούν σε υγρές συνθήκες. Ακόµα τα πειράµατα έδειξαν ότι οι εποξειδικές ρητίνες παρουσίασαν µεγαλύτερα φαινόµενα ερπυσµού από τις πολυεστερικές.[13] Επεµβάσεις o Σκυρόδεµα Γέµισµα ρωγµών: Ρωγµές λιγότερο από 0,6 χιλιοστά σφραγίζονται µε εποξειδική ρητίνη τύπου γέλης. Η εποξειδική ένωση που έχει επιλεγεί πρέπει να αποκτά υψηλή αντοχή σε σύντοµο χρονικό διάστηµα, χωρίς αισθητή συρρίκνωση. Σε περίπτωση που υπάρχουν σηµαντικές κινήσεις, όπως η συστολή-διαστολή, πρέπει να χρησιµοποιείται ως σφραγιστικό ελαστοµερές, όπως πολυθειούχο ή πολυουρεθάνη. Αν υπάρχουν µεγαλύτερες ρωγµές στο καθαρισµένο σκυρόδεµα, σφραγίζονται είτε µε εποξειδική ρητίνη ή µε ρητίνη µε τσιµεντοειδές κονίαµα.[2] Αντικατάσταση σκυροδέµατος: Το αποσαθρωµένο σκυρόδεµα µπορεί να αντικατασταθεί είτε από εκτοξευόµενο σκυρόδεµα είτε από υγρό τσιµεντοειδές υλικό. Η σύνθεση του υλικού πρέπει να είναι όσο το δυνατόν παρόµοια µε αυτή του αρχικού σκυροδέµατος, αλλά και µικρού λόγου Ν/Τ. Το εκτοξευόµενο σκυρόδεµα είναι σκυρόδεµα λεπτής διαβάθµισης αδρανών, που πληροί αυτή την προϋπόθεση και δεν απαιτεί ξυλότυπο. o Χάλυβας Αποκοπή των διαβρωµένων τµηµάτων και αντικατάστασή τους µε προσθήκη ράβδων επικαλυπτουσών των κενών συγκολλούµενων, συνδεόµενων µε κατάλληλα εξαρτήµατα, ή παρατιθέµενων στις υπάρχουσες, µε κατάλληλο µήκος αγκύρωσης[2]. Βέβαια, η συγκόλληση αν και ευρέως χρησιµοποιούµενη µέθοδος, δεν παύει να είναι αµφίβολη, ειδικά για µεγάλες κατασκευές. Αυτό συµβαίνει λόγω έλλειψης αναλυτικού εργαλείου µελέτης, µεγάλης απαίτησης χρόνου, υψηλού κόστους, απαίτησης ειδικού εξοπλισµού και παροχής ηλεκτρικού ρεύµατος, απαίτησης άρτια εκπαιδευµένου προσωπικού[11] Καθοδική προστασία: Η διάβρωση του οπλισµού είναι µια ηλεκτροχηµική διαδικασία και οφείλεται στα διαφορετικά ηλεκτρικά δυναµικά στην επιφάνειά του, όταν βρίσκεται σε υγρό περιβάλλον. Το σκυρόδεµα δρα σαν ηλεκτρολύτης µικρής αγωγιµότητας (η ειδική αντίσταση είναι 2 6 kω.cm για υγρό σκυρόδεµα και kω.cm για ξηρό). Υπάρχουν δυο τρόποι εισαγωγής της καθοδικής προστασίας στο χάλυβα: 1. µε ένωση του χάλυβα µε ένα µέταλλο λιγότερο ευγενές στην ηλεκτροχηµική διαδικασία - ανοδική προστασία (sacrificial anodic protection) 2. µε τη χρησιµοποίηση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού ρεύµατος µε επαρκή ένταση, ώστε να περιορίσει τη διάβρωση -τεχνική εφαρµοσµένου ρεύµατος. Για την ανοδική προστασία µπορούν να χρησιµοποιηθούν στοιχεία όπως νάτριο, µαγνήσιο, ψευδάργυρος, αλουµίνιο κ.α. Η σειρά που θα χρησιµοποιηθούν τα στοιχεία είναι βασική και γίνεται από αυτά που προηγούνται (πιο ανοδικά) στα επόµενα. Όταν δυο διαφορετικά στοιχεία έρχονται σε επαφή µέσα σ ένα ηλεκτρολύτη, παράγεται ρεύµα σαν συνάρτηση της ηλεκτροχηµικής σειράς τους. Για παράδειγµα, αν ο σίδηρος είναι σε ηλεκτρική επαφή µε τον ψευδάργυρο µέσα σ έναν ηλεκτρολύτη, το ρεύµα θα κινηθεί από τον ψευδάργυρο στο σίδερο επειδή ο ψευδάργυρος είναι ανοδικός του σιδήρου και ο ψευδάργυρος θα διαβρωθεί, ενώ ο σίδηρος όχι. Αυτή είναι η αρχή της παραπάνω µεθόδου. Όσον αφορά την τεχνική του εφαρµοσµένου ρεύµατος, η κατασκευή που πρόκειται να προστατευτεί συνδέεται µε την αρνητική τροφοδοσία (κάθοδος) και µε τη θετική τροφοδοσία, µια εισαγόµενη άνοδο, η οποία επιλέγεται έτσι, ώστε να έχει µη διαβρώσιµες ιδιότητες. Στις θαλάσσιες εγκαταστάσεις χρησιµοποιείται κράµα από σίδηρο και µόλυβδο. Η µέθοδος αυτή εξετάζει και την επανείσοδο των ιόντων χλωρίου στο σκυρόδεµα, οπότε προσφέρει συνεχή προστασία. Για την καθοδική προστασία των κατασκευών πρέπει να συνεκτιµώνται τα εξής : 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Σκυροδέµατος Πάτρα, Φεβρουάριος

55 Αποτίµηση και Επισκευή-Ενίσχυση Κατασκευών ΟΣ σε Θαλάσσιο Περιβάλλον 1.καταλληλότερος τύπος προστασίας, για τις δοσµένες καταστάσεις(ανοδική προστασία ή τεχνική του εφαρµοσµένου ρεύµατος) 2. η καθοδική προστασίας του οπλισµού που βρίσκεται µέσα στο σκυρόδεµα εισάγει ειδικά προβλήµατα, όπως ότι το νερό των πόρων στο σκυρόδεµα δρα σαν ηλεκτρολύτης. 3. το εφαρµοσµένο ρεύµα πρέπει να είναι αρκετό ώστε να καταστείλει τη διάβρωση. 4. η καθοδική προστασία µπορεί να προκαλέσει διάσπαση του υδρογόνου, βέβαια, πολύ σπάνια 5. πιθανότητα αντίδρασης αλκαλικού υλικού µε διοξείδιο του πυριτίου 6. παρουσία σηµαντικών ασυνεχειών στο χάλυβα οπλισµού Αποµάκρυνση χλωριούχων αλάτων: Αυτή η µέθοδος είναι µια εναλλακτική τεχνική της καθοδικής προστασίας. Η άνοδος που χρησιµοποιείται µπορεί να είναι αυτή που χρησιµοποιήθηκε και στην καθοδική προστασία ή ένα πλέγµα επικαλυµµένου τιτανίου. Αυτό τοποθετείται εξωτερικά του µέλους σκυροδέµατος και στερεώνεται στο υλικό το οποίο διατηρείται υγρό κατά τη διάρκεια της αποµάκρυνσης των χλωριούχων αλάτων. εν είναι εφικτό να αποµακρυνθούν από το σκυρόδεµα όλα τα χλωριούχα άλατα, αλλά αν αποµακρυνθούν σωστά αυτά που περιέχονται στην επικάλυψη του σκυροδέµατος τότε θα έχουµε µείωση σ ένα αποδεκτό επίπεδο. Αν υπάρχει µια µαζική εισχώρηση των χλωριούχων αλάτων στο σκυρόδεµα, τότε αυξάνεται η αντίσταση στη δίοδο του ρεύµατος και η αποµάκρυνση των χλωριούχων αλάτων γίνεται ιδιαίτερα δύσκολη. Η εν λόγω τεχνική δεν ασχολείται καθόλου µε την επανείσοδο ιόντων χλωρίου στο σκυρόδεµα, πράγµα που µπορεί να έχει σαν αποτέλεσµα την διάβρωση των ράβδων εκ νέου.[13] Επανααλκαλίωση: Αυτή η µέθοδος επαναφέρει την αλκαλικότητα του σκυροδέµατος που είναι σε επαφή µε τις ράβδους έτσι, ώστε το pη να πλησιάσει την τιµή 10, οπότε επαναφέρει την προστατευτική επικάλυψη ιόντων στο χάλυβα. Η διαδικασία της επανααλκαλίωσης είναι η εξής: µια άνοδος, κυρίως κυτταρίνη, τοποθετείται στην επιφάνεια του σκυροδέµατος η οποία διατηρείται υγρή από ένα διάλυµα ανθρακικού νατρίου το οποίο ενεργεί σαν ηλεκτρολύτης. Το αλκαλικό διάλυµα εισέρχεται µέσα στο σκυρόδεµα µε ηλεκτρική ώσµωση. Η ηλεκτρόλυση της επιφάνειας των ράβδων παράγει ιόντα υδροξυλίου, και αυτό έχει σαν αποτέλεσµα τη δηµιουργία υψηλού αλκαλικού περιβάλλοντος γύρω από το χάλυβα.[13] Οι µέθοδοι αντιµετώπισης του προβλήµατος γνωρίζουν σηµαντική αύξηση. Εδώ αναφέρονται οι πλέον γνωστές και διαδεδοµένες. Η έρευνα συνεχίζεται τόσο στον τοµέα των υλικών, όσο και αναφορικά µε τις ίδιες τις µεθοδολογίες. 6. ΕΠΙΛΟΓΟΣ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 1.Η θεµελιώδης απαίτηση για τις επισκευές σε θαλάσσιο ή παράκτιο περιβάλλον, ή ακόµα και σε περιβάλλοντα συχνής χρήσης άλατος για την τήξη των πάγων, είναι η παρεµπόδιση της διάβρωσης. 2.Τα πλεονεκτήµατα των εποξειδικών κονιαµάτων, όπως η µηχανική αντοχή, η καλή προσκόλληση, η µικρή συρρίκνωση, η ευκολία εφαρµογής και κυρίως, στην περίπτωση της διάβρωσης, η καλή χηµική αντίσταση και η µικρή έως µηδαµινή διαπερατότητα συχνά δικαιολογούν τη χρήση τους, παρά το µεγάλο κόστος, ιδιαίτερα για τις θαλάσσιες και παράκτιες κατασκευές. 3.Πλήρης παράθεση όλων των µεθόδων και τεχνολογιών τόσο από την πλευρά της αποτίµησης όσο και της επισκευής, απαιτεί µεγάλη έκταση, καθώς η επιστήµη αυτή συνεχώς αναπτύσσεται, στην εποχή µας. 4.Με δεδοµένο το υψηλό κόστος των ανοξείδωτων χαλύβων που θα µπορούσαν να λύσουν, σε µεγάλο βαθµό το πρόβληµα, οι εναλλακτικές αυτές µέθοδοι και η έρευνα γύρω από αυτές συγκεντρώνουν εύλογα το επιστηµονικό και κατασκευαστικό ενδιαφέρον. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Σκυροδέµατος Πάτρα, Φεβρουάριος

56 Μυστηλιάδη Αναστασία 7. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Anders Lindvall, Environmental actions and response reinforced concrete structures exposed in road and marine environment, Chalmers University of Technology SE Göteborg [2] N.C.Kothari, Problems associated with deterioration and repairs of concrete piles in marine environment, Concrete Structures, pp [3] G.Malumbela, M.Alexander, P.Moyo, Serviceability of corrosion-affected RC beams after patch repairs and FRPs under load, Materials&Structures (2011) 44,pp [4] A.Nanni, W.L.Lista, Concrete cracking in coastal areas: problems and solutions, Concrete International [5] Θ.Π.Τάσιος, Κ.Αλιγιζάκη, «Ανθεκτικότητα Ωπλισµένου Σκυροδέµατος», Αθήνα 1993 [6] R.N.Swamy, S.Tanikawa, A highly elastic surface coating to protect structures exposed to coastal/marine environments, Concrete Structures, pp [7] Standing committee on concrete technology, Recommended specification for RC in marine environment [8] W.J.McCarter, T.M.Chrisp, G.Starrs, A.Adamson, E.Owens, P.A.M.Basheer, S.V.Nanukuttan, N.Holmes, A remote interrogation system for monitoring concrete performance exposed to environmental action [9] Ε.Γ.Παπαδάκης, «Υπολογισµός διάρκειας ζωής οπλισµένου σκυροδέµατος, λόγω διάβρωσης οπλισµού», Ηµερίδα τεχνολογίας σκυροδέµατος & χαλύβων, ΤΕΕ, Ιωάννινα, [10] Χάρης Αλκ. Αποστολόπουλος, Xρήστος Ροδόπουλος, «Προβλήµατα από διάβρωση του σιδηροοπλισµου των κατασκευών», περιοδικό Σκυρόδεµα και χάλυβας [11] M.Frangou, K.Pilakoutas, S.Dritsos, Structural repair/strengthening of rc columns, Construction and building materials1995, vol. 9, No 5 [12] Τεχνικές Λύσεις Αφοί Α.Παναγόπουλοι, Επισκευές, Ενανθράκωση [13] Π.Λαµπροπούλου, Ζ.Τροµπουκη, «Επιθεώρηση & αποκατάσταση υποστυλωµάτων γέφυρας ο/σ σε θαλάσσιο περιβάλλον που έχουν υποστεί βλάβες λόγω διάβρωσης», 9ο Φοιτητικό Συνέδριο «Επισκευές Κατασκευών», Μάρτιος 2003 [14] 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Σκυροδέµατος Πάτρα, Φεβρουάριος

57 Ενίσχυση Πλαισίου µε Μανδύα Οπλισµένου Σκυροδέµατος και Σύνθετα Υλικά ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΜΕ ΜΑΝ ΥΑ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΝΤΟΛΙΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Περίληψη Η συγκεκριµένη εργασία επικεντρώνεται στην παρουσίαση και προβολή µίας καινοτόµου µεθόδου ενίσχυσης πλαισίου κατασκευής οπλισµένου σκυροδέµατος. Η λύση που προτείνεται συνίσταται στη χρήση συµβατικής ενίσχυσης µε µανδύα οπλισµένου σκυροδέµατος µόνο στην περιοχή του κόµβου ενώ η ενίσχυση του στύλου επιτυγχάνεται µε σύνθετα υλικά. Το αποτέλεσµα αυτό προκύπτει από τη σύγκριση-µέσω πειραµάτων-µε την ενίσχυση όλου του πλαισίου µε µανδύες οπλισµένου σκυροδέµατος είτε σύνθετων υλικών. 1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η Ελλάδα είναι µία χώρα που έχει το θλιβερό προνόµιο να ανήκει σε αυτές µε τη µεγαλύτερη σεισµική δράση στον ευρωπαϊκό χώρο. Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει σεισµοί µεγάλης κλίµακας σε όλη τη χώρα µε αποτέλεσµα να παρατηρηθούν σηµαντικές βλάβες στις κατασκευές που έχουν οδηγήσει ακόµη και σε καταρρεύσεις κτιρίων µε ανθρώπινα θύµατα. Πολλά από τα συγκεκριµένα κτίρια επισκευάστηκαν και ενισχύθηκαν. Ωστόσο επειδή η σεισµική δραστηριότητα συνεχίζεται και οι περισσότερες κατασκευές έχουν γίνει βάσει παλαιότερων αντισεισµικών κανόνων είναι πολύ πιθανόν να προκύψουν ανάλογα δυσάρεστα προβλήµατα στα κτίρια µε φέροντα οργανισµό από οπλισµένο σκυρόδεµα, τα οποία ως εκ τούτου χρήζουν άµεσης ενίσχυσης. Η ενίσχυση των κατασκευών την τελευταία δεκαπενταετία έχει πάρει εκτεταµένη µορφή και έχει ως αποτέλεσµα την ανάπτυξη νέων µεθόδων. Μία από τις πιο πρόσφατες βασίζεται στην επικόλληση λωρίδων από ινοπλισµένα σύνθετα υλικά(fprs) µε τη βοήθεια εποξειδικών ρητινών σε στοιχεία οπλισµένου σκυροδέµατος. Τα υλικά αυτά αποτελούνται από ίνες άνθρακα, γυαλιού ή αραµίδης σε πολυµερή µήτρα. Η καινούργια αυτή τεχνολογία παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήµατα αλλά και σηµαντικά µειονεκτήµατα που πρέπει να λαµβάνονται υπόψη. 2.Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Οι θετικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών είναι οι εξής:[3,5] Υψηλή εφελκυστική αντοχή Ικανοποιητική παραµορφωσιµότητα έως και τη θραύση Ανθεκτικότητα στο χρόνο Εύκολη εφαρµογή σε υπάρχουσες κατασκευές Χαµηλό βάρος ενίσχυσης Υψηλή αντίσταση στη διάβρωση Μεγάλο λόγο αντοχής προς µάζα και δυσκαµψίας προς µάζα Εύκολη προσαρµογή στη στάθµη ενίσχυσης που επιδιώκεται Επιβολή ελάχιστων γεωµετρικών αλλαγών στο φορέα Ωστόσο είναι κοινά πλέον αποδεκτό ότι οι µανδύες από ινοπλισµένα πολυµερή παρουσιάζουν και σηµαντικά µειονεκτήµατα τα οποία συνοψίζονται στα εξής: 1. εν αυξάνουν ιδιαίτερα τον λόγο ικανοτικού σχεδιασµού MR(άθροισµα ροπών αντοχής στύλων προς άθροισµα ροπών αντοχής δοκών).ο λόγος αυτός είναι µικρός σε παλαιές οικοδοµές καθώς οι τελευταίες τις περισσότερες φορές σχεδιάζονταν µε ισχυρές δοκούς και ασθενή υποστυλώµατα. Αυτή η αδυναµία των σύνθετων υλικών προκύπτει από το γεγονός ότι οι στρώσεις αύξησης της καµπτικής αντοχής των 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

58 Ντόλιας Παναγιώτης στύλων δεν είναι δυνατόν να συνεχίσουν από όροφο σε όροφο λόγω της παρουσίας της πλάκας και των δοκών που συντρέχουν στην περιοχή του κόµβου.[1] 2. εν ενισχύουν αποτελεσµατικά τις περιοχές του κόµβου καθώς δεν επιφέρουν αύξηση του λόγου ικανοτικού σχεδιασµού σε τιµές που θα έπρεπε(>1.4), δεν µειώνουν τις διατµητικές τάσεις πάνω στον κόµβο ενώ ταυτόχρονα δεν έχουµε προσθήκη οπλισµού. Είναι διαπιστωµένο ότι κατά την σεισµική φόρτιση το µεγαλύτερο πρόβληµα σε µια πλαισιακή κατασκευή προκαλείται στους κόµβους δοκού- υποστυλώµατος. Είναι λοιπόν προφανές ότι η ενίσχυση µε σύνθετα υλικά στην περιοχή του κόµβου δεν θα είναι ιδιαίτερα επιτυχής εξαιτίας των λόγων που προαναφέρθηκαν. Πειραµατικά δεδοµένα έδειξαν ότι κόµβοι που ενισχύθηκαν µε σύνθετα υλικά δεν παρουσίασαν ικανοποιητική συµπεριφορά σε σεισµική φόρτιση σε αντίθεση µε τα αποτελέσµατα που προέκυψαν σε κόµβους µε ενίσχυση από µανδύες οπλισµένου σκυροδέµατος. Σχήµα 1: Kόµβος µετά από ενίσχυση Για την αποφυγή της αστοχίας του κόµβου και την αποτελεσµατική ενίσχυση πλαισίων κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος προτείνεται η καινοτόµος λύση της ενίσχυσης των υποστυλωµάτων µε σύνθετα υλικά και της περιοχής του κόµβου µε συµβατικούς µανδύες από οπλισµένο σκυρόδεµα. Με αυτή την µέθοδο αξιοποιούνται µε τον καλύτερο τρόπο τα πλεονεκτήµατα των FRPs και αποφεύγονται ανεπιθύµητα προβλήµατα.[2] 3.ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟ ΟΥ Προκειµένου να εξεταστεί η αποτελεσµατικότητα της συγκεκριµένης µεθόδου ενίσχυσης συγκρίνεται η σεισµική συµπεριφορά δοκιµίων πλαισίων παλαιάς οικοδοµής οπλισµένου σκυροδέµατος, ενισχυόµενων µε τον προτεινόµενο τρόπο, µε την αντίστοιχη συµπεριφορά όµοιων δοκιµίων ενισχυόµενων αποκλειστικά είτε µε µανδύες οπλισµένου σκυροδέµατος είτε µε µανδύες από σύνθετα υλικά. Επιλέγονται δοκίµια µε κόµβους που δεν έχουν καθόλου οπλισµό δηµιουργώντας έτσι δυσµενέστερες συνθήκες για να ελεγχθεί καλύτερα η αποδοτικότητα του τρόπου επέµβασης. Για τον ίδιο σκοπό και στα υποστυλώµατα ο οπλισµός είναι λιγότερος σε σχέση µε τις σηµερινές απαιτήσεις. Είναι πολύ σηµαντικό στις ερευνητικές εργασίες να λαµβάνονται τα κατάλληλα δοκίµια που µας τροφοδοτούν µε όλες τις απαραίτητες πληροφορίες. Η µελέτη των υποστυλωµάτων µε δοκίµια µόνο στύλων οδηγεί τις περισσότερες φορές σε εσφαλµένα συµπεράσµατα καθώς δεν λαµβάνεται υπόψη ο 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

59 Ενίσχυση Πλαισίου µε Μανδύα Οπλισµένου Σκυροδέµατος και Σύνθετα Υλικά κόµβος. Έτσι δηµιουργείται η εντύπωση για ανάγκη ισχυρής ενίσχυσης στους στύλους, η οποία διακόπτεται στη περιοχή κάτω από τον κόµβο. Σχήµα 2: οκίµιο FCW1 [6] Σχήµα 3:Παρθενικά δοκίµια [6] Επιλέγονται λοιπόν τρία δοκίµια(w1,o1 και W2) µε χαρακτηριστικά αυτά που αναφέρθηκαν προηγουµένως. Το σκυρόδεµα που επιλέγεται έχει θλιπτική αντοχή 9MPa. Τα δοκίµια επιβάλλονται σε σεισµική φόρτιση και αστοχούν στον στύλο και στον κόµβο. Στη συνέχεια τα δοκίµια επισκευάζονται και ενισχύονται σε κόµβο και στύλο µε τρεις διαφορετικούς τρόπους. Το W1 ενισχύεται µε την προτεινόµενη µέθοδο, τοποθετώντας µανδύες οπλισµένου σκυροδέµατος τοπικά στον κόµβο και µανδύες CFPRs στο στύλο, δηµιουργώντας το δοκίµιο FCW1. Το Ο1 ενισχύεται παντού µε µανδύες οπλισµένου σκυροδέµατος C30/37,ενώ παράλληλα γίνεται προσθήκη διαµήκων οπλισµών και 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

60 Ντόλιας Παναγιώτης συνδετήρων στο στύλο και δισδιαγώνιου οπλισµού στο κόµβο, δηµιουργώντας το δοκίµιο SO1.Τέλος, το W2 ενισχύεται παντού µε συµβατικούς µανδύες από CFPRs.Τα τρία ενισχυµένα δοκίµια υποβάλλονται στην ίδια σεισµική φόρτιση µε τα προηγούµενα.οι δοκιµές έχουν γίνει µε νεότερους κανονισµούς.[4] 4.ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Από τα διαγράµµατα των βρόχων υστέρησης των δοκιµίων Ο1,SO1,FCW1 και FW2 φαίνεται ότι η σεισµική συµπεριφορά των ενισχυµένων είναι σαφώς καλύτερη από το παρθενικό δοκίµιο. Το δοκίµιο SO1 αστόχησε κυρίως στη δοκό, ενώ στα τελευταία στάδια της φόρτισης εµφανίστηκαν ρηγµατώσεις στον κόµβο και απώλεια της επικάλυψης στη δοκό. Το δοκίµιο FW2 αρχικά αστόχησε µικτά στη δοκό και τον κόµβο ενώ τελικά µε το πέρας των φορτίσεων η αστοχία συσσωρεύτηκε στον κόµβο. Τέλος, το δοκίµιο FCW1 αστόχησε αµιγώς στη δοκό ενώ ο κόµβος εµφάνισε εξαιρετική συµπεριφορά. Ακόµη το FCW1 εµφάνισε έως και τριπλάσια αντοχή και δυσκαµψία σε σχέση µε το παρθενικό Ο1 και έως και εξαπλάσια απορρόφηση ενέργειας.[6] Σχήµα 4:Υστερητικοί βρόχοι τέµνουσας-µετατόπισης [6]. 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

61 Ενίσχυση Πλαισίου µε Μανδύα Οπλισµένου Σκυροδέµατος και Σύνθετα Υλικά Σχήµα 5:Συγκριτικά διαγράµµατα αντοχών, δυσκαµψιών, ενέργειας FCW1 και Ο1[6] Σχήµα 6:Σύγκριση δοκιµίων FCW1 και SO1[6] 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

62 Ντόλιας Παναγιώτης Ακόµη, γίνεται σύγκριση στην αντοχή, στη δυσκαµψία και στην απορρόφηση ενέργειας µεταξύ των δοκιµίων FCW1 και FW2 και των δοκιµίων FCW1 και SO1.Τα αποτελέσµατα για τα δοκίµια FCW1 και SO1 είναι ελάχιστα καλύτερα για το δοκίµιο µε την προτεινόµενη µέθοδο µε τον λόγο αντοχής να φθάνει έως και την τιµή 1,2. Για τα δοκίµια FCW1 και SO1 τα αποτελέσµατα είναι αισθητά καλύτερα για το δοκίµιο FCW1 και αφορούν κυρίως την απορρόφηση ενέργειας, όπου παρατηρούνται σηµαντικές αποκλίσεις. Είναι φανερή λοιπόν η υπεροχή της προτεινόµενης µεθόδου ενίσχυσης σε σχέση και µε την ενίσχυση πλαισιακών κατασκευών αποκλειστικά µε µανδύες οπλισµένου σκυροδέµατος ή µε µανδύες από ινοπλισµένα πολυµερή. Εξάλλου, γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι η λύση µόνο µε σύνθετα υλικά είναι η λιγότερο αποτελεσµατική από τις τρεις. Αυτό εξηγείται καθώς σε πλαίσια αναδεικνύονται πολύ περισσότερο τα µειονεκτήµατα των σύνθετων υλικών και κυρίως την παράβλεψη του κόµβου δοκού-υποστυλώµατος, ο οποίος τόσο σηµαντικός είναι για την αποφυγή της αστοχίας. Σχήµα 7:Σύγκριση δοκιµίων FCW1 και FW2[6] 5.ΠΡΟ ΙΑΓΡΑΦΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Η µέθοδος των σύνθετων υλικών είναι αρκετά ιδιαίτερη και σχετικά πρόσφατη. Γι αυτό το λόγο υπάρχουν συγκεκριµένες προδιαγραφές χρησιµοποίησής τους στις ενισχύσεις των κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος. Ο σκοπός του Π.Ε.Σ.Υ είναι να παρακολουθεί και να επιβεβαιώνει ότι όλα τα στάδια της ενίσχυσης του έργου εκτελούνται µε ορθό τρόπο όπως περιγράφονται στις προδιαγραφές του έργου, στις συστάσεις του προµηθευτή των υλικών και τους ισχύοντες τεχνικούς κανονισµούς της χώρας.[7] Ο Π.Ε.Σ.Υ πρέπει να εφαρµόζει αυστηρά σε όλη τη διάρκεια της εφαρµογής την παράδοση και αποθήκευση των υλικών του έργου καθώς και τις συνθήκες(καιρικές, καταλληλότητα υποστρώµατος). Ακόµη οφείλει να λαµβάνει υπόψη την ταυτότητα των υλικών, πληροφορίες υγιεινής(τοξικότητα υλικών), στοιχεία που αφορούν στις µηχανικές 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

63 Ενίσχυση Πλαισίου µε Μανδύα Οπλισµένου Σκυροδέµατος και Σύνθετα Υλικά ιδιότητες των υλικών όπως επίσης και πληροφορίες που αφορούν στη µεταφορά και στην αποθήκευση των υλικών(χρόνος εργασιµότητας, αναλογίες ανάµειξης για τις ρητίνες). Εξίσου σηµαντικός είναι και ο ποιοτικός έλεγχος των παραδιδόµενων στο έργο σύνθετων υλικών. Πιο συγκεκριµένα:[7] Πριν την εφαρµογή πρέπει να γίνονται δειγµατοληπτικοί έλεγχοι(δοκιµές εφελκυσµού στη ρητίνη, δοκιµές συγκολλησιµότητας) Τα παραδιδόµενα υλικά είναι αυτά που προδιαγράφονται από τη µελέτη και παραδόθηκαν σε άριστη κατάσταση Να πραγµατοποιείται επίβλεψη στο έργο από ιπλωµατούχο Πολιτικό Μηχανικό µε εµπειρία στα σύνθετα υλικά Να βεβαιώνεται ότι τα υλικά θα αποθηκευτούν σύµφωνα µε τις συστάσεις του κατασκευαστή σε ορθή συσκευασία Να βεβαιώνεται ότι εργολάβος εφαρµογής είναι πιστοποιηµένος από τον κατασκευαστή των υλικών Επιπρόσθετα απαιτείται έλεγχος και καταγραφή των συνθηκών πριν την επικόλληση των λωρίδων σύνθετων υλικών. Πιο ειδικά, η εφελκυστική αντοχή του υποστρώµατος(σκυροδέµατος) από ενδεικτικές δοκιµές pull off έχει βρεθεί ότι δεν πρέπει να ξεπερνάει τα 1,5MPa, οι ανωµαλίες στην επιφάνεια του υποστρώµατος θα πρέπει να είναι εντός συγκεκριµένων ορίων ενώ η σχετική υγρασία και θερµοκρασία ατµόσφαιρας και σκυροδέµατος θα καταγράφονται κάθε ηµέρα εφαρµογής και θα υποδεικνύουν την εφαρµογή ή όχι των σύνθετων υλικών. Ακολουθεί ο ποιοτικός έλεγχος κατά τη διάρκεια της εφαρµογής που περιλαµβάνει την εξακρίβωση της ορθής χρησιµοποίησης των υλικών(εφαρµογή στην ορθή κατεύθυνση µε ευθυγραµµισµένες ίνες απόκλιση ευθυγραµµίας µεγαλύτερη από 8cm/m πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη, την επιβεβαίωση των µηχανικών χαρακτηριστικών του υλικού και τον έλεγχο της ενδεδειγµένης εφελκυστικής αντοχής της διεπιφάνειας σύνθετου υλικούσκυροδέµατος.[7] Απαραίτητος θεωρείται και ο έλεγχος της διεπιφάνειας που µπορεί να γίνει είτε µε τη χρήση ελάχιστα καταστροφικών δοκιµών(pdt) είτε µε τη χρήση µη καταστροφικών δοκιµών(ndt).η χρήση µη καταστροφικών δοκιµών ενδείκνυται σε κρίσιµες περιοχές µελών στις οποίες δε θέλουµε καµία φθορά του σύνθετου υλικού. Οι δοκιµές αυτές βοηθούν στον προσδιορισµό των κενών(µέθοδος υπερήχων, µέθοδος υπέρυθρης φωτογράφησης, απλή ακουστική µέθοδος).οι ελάχιστα καταστροφικές δοκιµές χρησιµοποιούνται κυρίως για τον προσδιορισµό της αντοχής της διεπιφάνειας. Τέλος, συµπληρώνεται ένα φύλλο ελέγχου το οποίο περιέχει:[7] Ηµεροµηνία και ώρα εφαρµογής Ατµοσφαιρική θερµοκρασία, σχετική υγρασία και γενικές παρατηρήσεις για την ατµόσφαιρα Θερµοκρασία και σχετική υγρασία υποστρώµατος Καταγραφή κωδικού παρτίδας και τοποθέτηση του έργου Προετοιµασία της επιφάνειας επικόλλησης συνθέτων υλικών Καθαρότητα επιφάνειας Καταγραφή αναλογιών ανάµειξης και χρόνων ανάµειξης Επιβεβαίωση των διαδικασιών εφαρµογής Ιδιότητες των σύνθετων υλικών, όπως προέκυψαν από τις δοκιµές των κουπονιών Αποτελέσµατα από τις δοκιµές επί τόπου του έργου Θέση και µέγεθος των αποκολλήσεων και των κενών αέρα Γενική εξέλιξη του έργου 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

64 Ντόλιας Παναγιώτης 6.ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Στην παρούσα εργασία παρουσιάστηκε ένας τρόπος συγκεκριµένης χρησιµοποίησης των σύνθετων υλικών στις κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος. Ειδικότερα προκρίθηκε ως λύση η ενίσχυση των υποστυλωµάτων µε µανδύες οπλισµένου σκυροδέµατος και των κόµβων δοκού-στύλου µε ινοπλισµένα πολυµερή. Το αποτέλεσµα αυτό προέκυψε από πειραµατικές έρευνες και σύγκριση µε πιο συνηθισµένες µεθόδους που δεν είναι µικτές. Παράλληλα γίνεται ξεκάθαρο ότι η τεχνολογία των σύνθετων υλικών θα πρέπει να εφαρµόζεται κατά περίσταση και τηρώντας τις πολλές και ιδιαίτερα απαιτητικές προδιαγραφές που έχουν οριστεί µέσω των κανονισµών επεµβάσεων. Η έρευνα συνεχίζεται και πάντα υπάρχει η πιθανότητα να προκύψει κάτι πιο ενδιαφέρον. Συνοψίζοντας, ο Πολιτικός Μηχανικός έχοντας καλή γνώση όλων των τεχνικών ενίσχυσης και λαµβάνοντας υπόψη τις ιδιαιτερότητες της κατασκευής θα κατορθώσει να επιλέξει την αποτελεσµατικότερη από πλευράς ποιότητας και κόστους, καθώς η εξέλιξη των ενισχύσεων επιταχύνεται και οι επιλογές στις µεθόδους γίνονται όλο και περισσότερες. 7.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Tsonos, A.G. (2008), Effectiveness of CFRP-jackets and RC-jackets in post-earthquake and Pre-earthquake retrofitting of beam-column sub assemblages, Engineering Structures, 30, pp [2] Tsonos, A.G. and Stylianides, K. (2002), Seismic retrofit of beam-to-column joints with high strength fiber-jackets, Journal of European Association for Earthquake Engineering, 2, pp [3]Κάρλος Κυριάκος Ενίσχυση φέρουσας τοιχοποιίας για εντός επιπέδου φόρτιση µε σύνθετα υλικά ανόργανης µήτρας και µε ράβδους σύνθετων υλικών σε εγκοπές, ιατριβή ιπλώµατος Ειδίκευσης(2005) [4] ρίτσος, Σ.Η. (2005), Επισκευές και ενισχύσεις κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα, Πάτρα [5] Αθ.Τριανταφύλλου Νέα γενιά δοµικών υλικών για την ενίσχυση κατασκευών: Ινοπλέγµατα σε ανόργανη Μήτρα [6] Ερευνητικό Πρόγραµµα στο Εργαστήριο Κατασκευών Οπλισµένου Σκυροδέµατος και Φέρουσας Τοιχοποιίας στο Α.Π.Θ, 2005 [7] Ποιοτικός Έλεγχος ενίσχυσης κατασκευών µε σύνθετα υλικά,.ρ Κώστας Αντωνόπουλος Πολ.Μηχανικός, Ηµερίδα µε θέµα την ενίσχυση των κτιρίων µε σύνθετα υλικά, ΤΕΕ, 6 Νοεµβρίου o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

65 Επισκευή και Ενίσχυση Θεμελίων ΕΠΙΣΚΕΥΗ-ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΘΕΜΕΛΙΩΝ ΜΠΕΛΛΟΥ ΒΕΝΕΤΙΑ Περίληψη Στην εργασία αυτή γίνεται προσπάθεια να παρουσιασθούν οι κυριότεροι τρόποι ενίσχυσης και επισκευής των θεµελίων που έχουν υποστεί βλάβες. Επίσης θα παρουσιασθούν οι τρόποι αποτίµησης των βλαβών, οι πιθανές ενδείξεις αστοχίας των θεµελίων και τα αίτιά τους. 1. ΕΝ ΕΙΞΕΙΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ ΘΕΜΕΛΙΩΝ Υπάρχουν διάφορες ενδείξεις, τόσο στο εσωτερικό ενός κτηρίου όσο και στο εξωτερικό, οι οποίες µαρτυρούν την αστοχία. ΕΝ ΕΙΞΕΙΣ ΣΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ: Ρωγµές στο πάτωµα. Ρωγµές στο ανώφλι. Κλίση των πατωµάτων. Πόρτες και παράθυρα που έχουν κολλήσει και δεν ανοίγουν. Πόρτες και παράθυρα µη ευθυγραµµισµένα. ΕΝ ΕΙΞΕΙΣ ΣΤΟ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟ: Ρωγµές στη θεµελίωση. Ρωγµές στα τούβλα. Ύπαρξη κενών γύρω από πόρτες και παράθυρα [2]. 2. ΑΙΤΙΑ ΑΣΤΟΧΙΑΣ ΘΕΜΕΛΙΩΝ Η αστοχία των θεµελίων οφείλεται κυρίως σε λόγους παραµόρφωσης του εδάφους θεµελίωσης. Το έδαφος θεµελίωσης παραµορφώνεται από τις δυνάµεις που προκαλεί το φορτίο του κτηρίου ανάλογα προς την συµπιεστότητα και την αντοχή του σε διάτµηση. Οι κατακόρυφες φορτίσεις των θεµελίων προκαλούν κυρίως κατακόρυφες µετατοπίσεις (καθιζήσεις). Όταν σηµειώνεται αύξηση του φορτίου, παρατηρείται και πλευρική συµπίεση του εδάφους µέχρι να βυθιστεί το κτήριο στο έδαφος(θραύση εδάφους). Άς αναφέρουµε αναλυτικά µιας προς µία κάθε είδος αστοχίας: (1). Θραύση Εδάφους. Προκαλείται όταν το φορτίο στο έδαφος, πάνω στο οποίο υπόκεινται το κτήριο, αυξάνεται έτσι ώστε να σχηµατισθούν µέσα σε αυτό επιφάνειες ολισθήσεως κατά τις οποίες έχει ξεπεραστεί η διατµητική αντοχή, τότε παρατηρείται διαφυγή του εδάφους πλευρικά και συγχρόνως διογκώνεται κατά τις πλευρές του δοµικού έργου. Ο κίνδυνος θραύσης εδάφους αυξάνεται όσο το πλάτος της κατασκευής (ή του θεµελίου), το βάθος θεµελίωσης, καθώς και η διατµητική αντοχή του εδάφους µειώνονται. Επίσης αυξάνεται (κίνδυνος θραύσης εδάφους) όσο η εκκεντρότητα και η κλίση του φορτίου αυξάνουν. Η µορφή αυτή αστοχίας, είναι πολύ σπάνια, όταν τα κτήρια βρίσκονται υπό κανονική φόρτιση και έχουν βαθειά θεµελίωση [2]. (2). ιαφορική Καθίζηση. Είναι το φαινόµενο, το οποίο, προκαλείται όταν εδάφη µε υψηλή πλαστιµότητα, σε διαφορετικά τµήµατα της θεµελίωσης, µετακινούνται. Η 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

66 Μπέλλου Βενετία κίνηση αυτή µπορεί να εκδηλωθεί µε τη µορφή συστολής ή διαστολής αντίστοιχα. Όταν το έδαφος χάνει την υγρασία του συρρικνώνεται, ενώ όταν η υγρασία του αυξάνεται το έδαφος διογκώνεται. Επίσης καθίζηση µπορεί να προκληθεί και λόγω µεταβολής των φορτίσεων ή δονήσεων. Ωστόσο σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις η αστοχία εκδηλώνεται υπό τη µορφή ρωγµών τόσο στους εξωτερικούς και εσωτερικούς τοίχους του κτηρίου, όσο και στους τοίχους θεµελίωσης. Οι καθιζήσεις είναι φαινόµενα φυσιολογικά και αναπόφευκτα, εφόσον πρόκειται για την αντίδραση του υλικού του εδάφους στο φορτίο της κατασκευής. (3). Υδραυλική Θραύση Εδάφους. Συµβαίνει όταν σε αµµώδη εδάφη πολύ λεπτόκοκκα (όπως ρέουσα άµµος, ιλύς), τα οποία, έχουν ελάχιστη υδατοπερατότητα και συνοχή, δεν επαρκεί τόσο το ίδιο βάρος τους, όσο και το βάρος του κτηρίου, για να αντισταθούν στην δυναµική πίεση που τους ασκεί ένα υδάτινο ρεύµα. Η παραπάνω µορφή αστοχίας έχει σαν αποτέλεσµα η οικοδοµή να καταποντίζεται µέσα στο έδαφος, το οποίο, συµπεριφέρεται πλέον σαν τελείως αβαρές. Τέτοια φαινόµενα όµως είναι πολύ σπάνια και συµβαίνουν µόνο υπό ειδικές υδάτινες συνθήκες. Εκτός από τους λόγους αστοχίας των θεµελίων, που αναφέρονται παραπάνω, και οφείλονται στην παραµόρφωση του εδάφους, αστοχία των θεµελίων συµβαίνει και απώλειας της στατική ισορροπίας της κατασκευής. (4). Ολίσθηση. Προκαλείται όταν η κλίση της συνισταµένης υπερβεί κάποιο συγκεκριµένο όριο, µπορεί να υπάρξει υπέρβαση της αντίστασης µεταξύ του πέλµατος και του εδάφους. Ένα δοµικό έργο ολισθαίνει όταν η οριζόντια συνισταµένη των δυνάµεων στη επιφάνεια δράσεως ξεπεράσει την τριβή ή την αντίσταση σε διάτµηση που αντιδρούν. (5). Ανατροπή. Συµβαίνει όταν η συνισταµένη των εξωτερικών δυνάµεων συναντάει την επιφάνεια εδράσεως του θεµελίου έξω από τα όρια του πυρήνα της [2]. 3. ΜΕΘΟ ΟΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΘΕΜΕΛΙΩΣΕΩΝ Η ενίσχυση των θεµελίων µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε τις παρακάτω µεθόδους: Μεγέθυνση των υπαρχόντων θεµελίων. Κατασκευή νέων θεµελίων δίπλα στα υπάρχοντα. Αύξηση της ασφάλειας κατά θραύση εδάφους. Βελτίωση υπεδάφους. Κατασκευή υποθεµελίωσης. Αντιµετώπιση των καθιζήσεων. Μεγέθυνση Των Υπαρχόντων Θεµελίων. Έναν συχνό τρόπο επισκευής και ενίσχυσης των θεµελίων αποτελεί η αύξηση των διαστάσεων τους. Αυτή µπορεί να είναι: α) αύξηση του πλάτους του πέδιλου, β) αύξηση του ύψους του πέδιλου, γ) ο συνδυασµός των α,β. (α) Αύξηση του πλάτους του πέδιλου. Το πλάτος αυξάνεται µε τη διάστρωση νέου σκυροδέµατος περιµετρικά του ήδη υπάρχοντος θεµελίου. Απαραίτητη είναι η συνεργασία παλαιού και νέου σκυροδέµατος. Αυτό µπορεί να συµβεί τόσο µε την τοποθέτηση νέου οπλισµού, ο οποίος αγκυρώνεται µέσα στο νέο σκυρόδεµα, όσο και µε τη χρήση βλήτρων, τα οποία τοποθετούνται στη διεπιφάνεια των δύο σκυροδεµάτων (παλαιό και νέο). 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

67 Επισκευή και Ενίσχυση Θεμελίων (β). Αύξηση του ύψους του πέδιλου. Αυτό µπορεί να γίνει µε την τοποθέτηση ενός κύβου από σκυρόδεµα κάτω από την ήδη υπάρχουσα θεµελίωση. Όµως πρέπει να εξασφαλιστεί η σωστή συνεργασία µεταξύ παλαιού και νέου σκυροδέµατος. Αυτό επιτυγχάνεται µε την τοποθέτηση νέου οπλισµού (βλέπε Σχήµα 1) [2]. Σχήµα 1: Θέση νέου οπλισµού [2] Ένας άλλος τρόπος, για να επιτευχθεί αυτή η µορφή ενίσχυσης, είναι η χρήση µανδύα από σκυρόδεµα. Όπως και στην παραπάνω περίπτωση έτσι και εδώ πρέπει να διασφαλιστεί η συνεργασία µεταξύ παλαιού και νέου σκυροδέµατος καθώς και η συνάφεια της διεπιφάνειας, διότι στη διεπιφάνεια µεταξύ των δύο σκυροδεµάτων παύουν να ισχύουν οι γνωστές θεωρίες κάµψης και διάτµησης. Για να επιτευχθεί αυτή η συνεργασία πρέπει κατά τη διάρκεια της προετοιµασίας και της σκυροδέτησης να τηρηθούν τα παρακάτω: 1. Καθαίρεση του βλαµµένου σκυροδέµατος. 2. ιαµόρφωση κοιλοτήτων για καλύτερο εγκιβωτισµό. 3. Αποκάλυψη των παλαιών οπλισµών και αγρίεµα της επιφάνειας όπου χρειάζεται. 4. Μηχανική εκτράχυνση της διεπιφάνειας. 5. Έκπλυση της επιφάνειας αναµονής µε άφθονο νερό υπό πίεση για να φύγει η σκόνη. 6. ιαβροχή του παλαιού σκυροδέµατος µέχρι κορεσµού πριν την σκυροδέτηση. 7. Μετά τη σκυροδέτηση να διατηρείται συνεχώς υγρή η επιφάνεια του στοιχείου, αυτό µπορεί να επιτευχθεί µε τη χρήση βρεγµένων λινατσών. Επίσης θα πρέπει να εξασφαλισθούν και τα παρακάτω: Η πυκνότητα του σκυροδέµατος να είναι τέτοια που να επιτρέπει την διέλευση των χονδρών αδρανών. Το σκυρόδεµα Το νέο σκυρόδεµα να έχει µεγαλύτερη αντοχή, τουλάχιστον κατά 5MPa, από το παλαιό. να συµπυκνώνεται καλά. Τα αδρανή που χρησιµοποιούνται, για την παρασκευή του νέου σκυροδέµατος, δεν πρέπει να έχουν διάµετρο µεγαλύτερη από 2 cm. Κατά τη διάστρωσή του το σκυρόδεµα πρέπει να είναι ρευστό, διεισδυτικό και να έχει πλαστικότητα. ηµιουργία «φωλιών» στην διεπιφάνεια, στις οποίες οπλισµοί εγκλωβίζονται οι οριζόντιοι [2]. Τοποθέτηση βλήτρων για να επιτευχθεί η καλή συνεργασία παλαιού και νέου υλικού. 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

68 Μπέλλου Βενετία Στην περίπτωση κατασκευής µανδύα, αυτός θα πρέπει να καλύπτει τουλάχιστον το µισό του ύψους του πέδιλου. Επίσης να έχει κλειστούς συνδετήρες, οι οποίοι θα είναι το ελάχιστο Φ12/10. Εάν όµως καλύπτεται µε µανδύα και το υπερκείµενο του θεµελίου υποστύλωµα, θα πρέπει τόσο ο µανδύας όσο και οι νέοι οπλισµοί να συνεχιστούν έως το πέδιλο και να το καλύψουν. Στο σηµείο σύνδεσης υποστυλώµατος και πέδιλου δηµιουργούνται διατρυπήµατα (τα οποία έχουν µήκος όσο είναι και το απαιτούµενο µήκος αγκύρωσης) για να πακτωθούν οι διαµήκεις οπλισµοί. Η πάκτωση των οπλισµών γίνεται είτε µε συρρικνούµενο κονίαµα, είτε µε ρητίνη, είτε µε εποξειδωτικό κονίαµα(βλέπε Σχήµα 3, Σχήµα 4) [2]. Σχήµα 2: ιαδικασία απόληξης µανδύα στα στοιχεία θεµελίωσης [4] Σχήµα 3: ιαδικασία απόληξης µανδύα στα στοιχεία θεµελίωσης [4] Αύξηση και των δύο διαστάσεων. Η ταυτόχρονη αύξηση τόσο του πλάτους όσο και του ύψους του πέδιλου γίνεται µε τη χρήση µανδύα. Στην µέθοδο αυτή µπορεί να υπάρξουν δύο περιπτώσεις: 1. ο παραπάνω µανδύας να συνεχίζει και στο υπερκείµενο υποστύλωµα, 2. να µην συνεχίζει. Στην πρώτη περίπτωση (1.) την πρόσθετη τάση του εδάφους, η οποία οφείλεται στην αύξηση της διατοµής, την εξισορροπούν οι λοξές δυνάµεις που αναπτύσσονται στο νέο µανδύα του υποστυλώµατος. Επιπλέον οι πρόσθετες τάσεις του εδάφους και οι λοξές δυνάµεις µεταφέρονται στον µανδύα του πέδιλου µέσω της περιοχής στη βάση του θεµελίου. Για τον λόγο αυτό άλλωστε απαιτείται ισχυρή όπλιση µε επαρκή αγκύρωση και στην περιοχή αυτή(βλέπε Σχήµα 5) [2]. 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

69 Επισκευή και Ενίσχυση Θεμελίων Σχήµα 4: 1.υπάρχων θεµέλιο 2.υπάρχων υποστύλωµα 3.οπλισµένος µανδύας 4.µανδύας πέδιλου 5.πρόσθετος οπλισµός [1] Στην δεύτερη περίπτωση (2.) φορτία του εδάφους µεταβιβάζονται απ ευθείας στο πέδιλο. Η µεταβίβαση των φορτίων επιτυγχάνεται είτε µε χρήση βλήτρων, είτε µε χρήση κάποιων πρότυπων µεταλλικών διατοµών, οι οποίες τοποθετούνται κάτω από τα άκρα του πέδιλου(βλέπε Σχήµα 6). Σχήµα 5: 1.παλιό υποστύλωµα 2.παλιό πέδιλο 3.µανδύας πέδιλου 4.νέοι οπλισµοί 5.µεταλλικές διατοµές 6.βλήτρα [1] Κατασκευή Νέων Θεµελίων. Συνήθως η δηµιουργία νέων πρόσθετων θεµελίων δίπλα στα υπάρχοντα οφείλεται στην αύξηση των φορτίων µιας κατασκευής (π.χ λόγω προσθήκης νέων ορόφων). Η ενίσχυση στην περίπτωση αυτή γίνεται κυρίως µέσω νέων πρόσθετων λωρίδων θεµελίων εκατέρωθεν του υπάρχοντος. Οι λωρίδες αυτές αναλαµβάνουν το µεγαλύτερο ποσοστό των πρόσθετων δυνάµεων µέσω διαδοκίδων που διαπερνούν την τοιχοποιία. Στο καινούργιο θεµέλιο χρησιµοποιούνται επίσης και πάσσαλοι διατρήσεων, οι οποίοι δένονται µέσα στο οπλισµένο σκυρόδεµα των δοκών θεµελίωσης. Οι πάσσαλοι αυτοί παρουσιάζουν µικρότερη µάζα καθίζησης, ωστόσο επηρεάζουν τα υπάρχοντα θεµέλια. Αυτό οφείλεται στην αναπότρεπτη χαλάρωση του εδάφους και στην αρνητική τριβή. Εάν θέλουµε να περιορίσουµε την καθίζηση σε µερικά χιλιοστά (mm), τότε χρησιµοποιούµε µια ειδική διάταξη πασσάλων διάτρησης, οι οποίοι ονοµάζονται ριζοπάσσαλοι. Η έµπηξή τους γίνεται µε τη της περιστροφικής διείσδυσης, οπλίζοντας µε διαµήκη ράβδους και ελικοειδή µέθοδο συνδετήρα [2]. 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

70 Μπέλλου Βενετία Σχήµα 6 : Υποστήριξη ενός διαµήκους τοίχου υπογείου [2] Αύξηση Της Ασφάλειας Κατά Θραύση Εδάφους. Εφαρµόζεται κυρίως σε περιπτώσεις όπου έχει ξεπεραστεί η διατµητική αντοχή του εδάφους λόγω υπερφόρτωσης του. Το φαινόµενο αυτό συµβαίνει σε συγκεκριµένες επιφάνειες ολίσθησης που δηµιουργούνται. Τα παραπάνω έχουν ως αποτέλεσµα την πλευρική διαφυγή του εδάφους καθώς και την διόγκωσή του κατά τις πλευρές του κτηρίου. Το κτήριο βυθίζεται µέσα στο έδαφος το οποίο µετακινείται ακόµη και χωρίς την ύπαρξη περαιτέρω φορτίου. Ένας τρόπος αντιµετώπισης του φαινοµένου είναι η εµπόδιση της πλευρικής διαφυγής του εδάφους κατόπιν διογκώσεως µε τη βοήθεια ασφαλιστικών διατάξεων τόσο εκατέρωθεν όσο και κατά µήκος του συνεχούς θεµελίου(π.χ η έµπηξη πασσαλοσανίδων σε σειρά, µετατοπίζει τη επιφάνεια ολίσθησης προς τα κάτω µε αποτέλεσµα να δηµιουργείται συνεργασία ενός σώµατος γαιών ως αντίβαρο προς το φορτίο µετακίνησης). Βελτίωση Υπεδάφους. Η πιο πρόσφορη µέθοδος, για την ενίσχυση των θεµελίων, είναι αύξηση της αντοχής του εδάφους µε διαπότιση, διότι έτσι αποφεύγονται καθιζήσεις και ρωγµές. Όµως η µέθοδος αυτή δεν µπορεί να εφαρµοσθεί σε όλα τα εδάφη. Επιδεκτικά διαποτίσεως είναι όλα τα εδάφη που διαρρέονται από νερό. Ουσιαστικά πρόκειται για ένα πότισµα του εδάφους µε κατάλληλα µέσα, έτσι ώστε να επιτευχθεί ένα είδος απολίθωσης και αύξηση της επιφάνειας εδράσεως (ένα παράδειγµα διαποτίσεως και αγκύρωσης ταυτόχρονα είναι η περίπτωση που έχουµε δοµικά µέλη που υπόκεινται σε ώθηση γαιών. Στην περίπτωση αυτή µπορεί να χρειασθεί να ενσωµατωθεί και ένα περίζωµα δυσκαµψίας µε αγκύρωση). Με κατάθλιψη διαλυµάτων, γαλακτωµάτων και αιωρήσεων στο έδαφος κλείνονται τα κενά και η αντοχή βελτιώνεται, ανάλογα µε το είδος του εδάφους και το µέγεθος των κόκκων. Ο διαποτισµός γίνεται µε τσιµέντο, κολλοειδές τσιµέντο, µίγµατα τσιµέντου-µπετονίτη ή χηµικά διαλύµατα( όπως π.χ ορυκτή γέλα, οργανικές ρητίνες κ.λ.π). Σε συνεκτικά εδάφη δεν είναι δυνατή η χρήση τσιµεντενέσεων [2]. 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

71 Επισκευή και Ενίσχυση Θεμελίων Κατασκευή Υποθεµελίωσης. Με τον όρο υποθεµελίωση περιγράφεται η τροποποίηση µιας υφιστάµενης θεµελίωσης έτσι ώστε να υπάρξει µεγαλύτερη φέρουσα ικανότητα ή µεγαλύτερο βάθος θεµελίωσης, µε σκοπό να παρακαµφθούν ακατάλληλα στρώµατα εδάφους. Για να εκπληρωθεί όµως ο παραπάνω σκοπός είναι απαραίτητη η καλή συνεργασία της υφιστάµενης µε την νέα θεµελίωση. Οι υποθεµελιώσεις µπορεί να είναι: 1.)αβαθείς 2.)βαθιές 1.)Στις αβαθείς θεµελιώσεις κατασκευάζονται ορύγµατα κάτω από την ήδη υπάρχουσα θεµελίωση και πληρώνονται µε σκυρόδεµα(ντουλάπια θεµελίωσης). Επίσης η υποθεµελίωση είναι αναγκαία στην περίπτωση όπου γίνει εκσκαφή του εδάφους σε στάθµη µικρότερη από αυτή της γειτονικής θεµελίωσης. Συνήθως η στάθµη της γειτονικής εκσκαφής πρέπει να βρίσκεται 0.5 m ψηλότερα από αυτή της αρχικής θεµελίωσης. Κατά την κατασκευή αβαθών υποθεµελιώσεων το υλικό σφήνωσης, στην κορυφή της υποθεµελίωσης, αποτελείται από ένα µείγµα άµµου-τσιµέντου σε αναλογία 1:1 και τόση ποσότητα νερού ώστε το υλικό να διατηρεί το σχήµα του και να είναι εύπλαστο µε το χέρι. Το παραπάνω υλικό τοποθετείται στο κενό µεταξύ της βάσης του θεµελίου και του ντουλαπιού, σε χρόνο 16 ώρες έως 3 ηµέρες από τη σκυροδέτηση του ντουλαπιού. Εάν κατά τη σκυροδέτηση του ντουλαπιού δεν δοθεί η κατάλληλη προσοχή µπορεί να δηµιουργηθούν κενά κάτω από το θεµέλιο. 2.)Στην κατασκευή βαθιών θεµελιώσεων γίνεται χρήση πασσάλων και διαφραγµάτων, τα οποία εγκαθίστανται από τη επιφάνεια του εδάφους [2]. Σχήµα 7: ιάφορες διατάξεις πασσάλων και διαφραγµάτων [4] Αντιµετώπιση Των Καθιζήσεων. Το πιο σύνηθες πρόβληµα των θεµελίων είναι οι καθιζήσεις. Καθίζηση έχουµε όταν υπάρχει κάθετη µετατόπιση της επιφάνειας του εδάφους, η οποία δηµιουργείται εξαιτίας της παραµόρφωσης του εδάφους λόγω µεταβολών στη φόρτιση ή λόγω δονήσεων. Επίσης καθιζήσεις µπορεί να δηµιουργηθούν και από την στερεοποίηση του εδαφικού στρώµατος καθώς και από την ύπαρξη γειτονικών κατασκευών που εµποδίζουν να κατανεµηθούν τα φορτία πλευρικά [2]. 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

72 Μπέλλου Βενετία 4. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Σ.Η ρίτσος Επισκευές και ενισχύσεις κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα Έκδοση Πανεπιστηµίου Πατρών σελ [2] R.Rybicki Βλάβες δοµικών έργων. Κατασκευές οπλισµένου µπετόν Τόµος 1 Εκδόσεις Μ.Γκιούδας Αθήνα 1981 σελ.87-94, [3] Φαρδής Ν. Μιχαήλ Μαθήµατα οπλισµένου σκυροδέµατος Μέρος 3 Εκδόσεις Πανεπιστηµίου Πατρών σελ.1 [4] Σ.Η ρίτσος Επισκευές και ενισχύσεις κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα Έκδοση Πανεπιστηµίου Πατρών σελ , 108, o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

73 Ενίσχυση Ιστορικών Κατασκευών µε Ινοπλισµένα Πολυµερή (F.R.P) ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΙΣΤΟΡΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΜΕ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ (F.R.P.) ΤΣΩΛΟΥ ΗΛΕΚΤΡΑ Περίληψη Στην παρούσα εργασία ερευνούµε τις βλάβες και τον τρόπο αστοχίας της τοιχοποιίας των ιστορικών κτηρίων. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στη διαδικασία που προαπαιτείται, προκειµένου ο µηχανικός να έχει µια ολοκληρωµένη εικόνα του προβλήµατος που καλείται να αντιµετωπίσει. Ως µέθοδο ενίσχυσης επιλέγουµε τα ινοπλισµένα πολυµερή (F.R.P.) µε κριτήριο τη διατήρηση της ιστορικότητας και της αισθητικής ενός ιστορικού κτηρίου. Παραθέτουµε λοιπόν τα βασικά χαρακτηριστικά των σύνθετων αυτών υλικών καθώς και παραδείγµατα εφαρµογής τους σε διάφορα στοιχεία της κατασκευής, ανάλογα µε τον τρόπο καταπόνησης του µέλους. Τέλος αναλύεται η τεχνική εφαρµογής της µεθόδου. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η Ελλάδα είναι µια χώρα που χαρακτηρίζεται από πλήθος ιστορικών κτηρίων,τα οποία χρήζουν προστασία και διατήρηση, µε στόχο την διατήρηση της ιστορικής µνήµης. Σε ένα µεγάλο ποσοστό, ο φέρον οργανισµός των κατασκευών αυτών αποτελείται από φέρουσα τοιχοποιία. Λόγω της παλαιότητάς τους τα περισσότερα από αυτά δεν ικανοποιούν τις απαιτήσεις των σύγχρονών κανονισµών για την ποιότητα και τον τρόπο κατασκευής τους, ενώ δεν έχει δοθεί ιδιαίτερη βάση στον αντισεισµικό σχεδιασµό τους. Όταν η επίδραση ενός σεισµού έχει ως αποτέλεσµα τη δηµιουργία ρηγµατώσεων κρίνεται αναγκαία η επισκευή του, ενώ υπάρχουν και περιπτώσεις που επιτακτική είναι η ανάγκη επισκευής πριν από την καταπόνηση. Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, η χρήση σύνθετων υλικών µε ινοπλισµένα πολυµερή προσέφερε µία εναλλακτική, πολλά υποσχόµενη τεχνική ενίσχυσης κατασκευών από τοιχοποιία. Η τεχνική αύτη αποτελεί την ιδανικότερη µέθοδο ενίσχυσης ιστορικών κατασκευών, καθώς δεν αλλοιώνει την ιστορικότητα του κτηρίου και σέβεται τα τυπολογικά και µορφολογικά χαρακτηριστικά του. [1] 2. ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗ ΚΑΙ ΑΣΤΟΧΙΑ ΤΗΣ ΤΟΙΧΟΠΟΙΙΑΣ Η καταπόνηση της τοιχοποιίας και οι παρατηρούµενες αστοχίες (Σχήµα 1) που εµφανίζονται καθορίζουν και τον τρόπο ενίσχυσης των στοιχείων του κτηρίου. Οι βλάβες των ιστορικών κτιρίων εξαρτώνται κυρίως από τα υλικά από τα οποία έχουν κατασκευαστεί, αλλά και από περιβαλλοντικούς παράγοντες. Ταξινοµούµε τις βλάβες σε δύο κατηγορίες: Έµµεσες βλάβες που δηµιουργούνται σε εσωτερικούς διαχωριστικούς τοίχους, σε επιφάνειες κονιάµατος, σε σκαλοπάτια, σε σωληνώσεις κ.α. και δεν επηρεάζουν την γενικότερη στατική συµπεριφορά του κτιρίου, εποµένως δεν αποτελούν κίνδυνο µερικής ή ολικής κατάρρευσής του. Άµεσες βλάβες, οι οποίες δηµιουργούνται µετά από µετακινήσεις, παραµορφώσεις ή ρηγµατώσεις του κτιρίου. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα,

74 Τσώλου Ηλέκτρα Σχήµα 1: Συνήθεις αστοχίες της τοιχοποιίας. [11] Αναφέρεται παρακάτω η λειτουργία ορισµένων στοιχείων από τα οποία είναι δοµηµένα τα κτήρια από τοιχοποιία προκειµένου να γίνει πιο κατανοητή η συµπεριφορά που παρουσιάζουν υπό διάφορες καταπονήσεις. Ο συνδυασµός των δύο κυριότερων υλικών κατασκευής της φέρουσας τοιχοποιίας, τα τοιχοσώµατα (οπτόπλινθοι, πέτρα, τσιµεντόπλινθοι κ.α.) και το τσιµεντοκονίαµα, παρέχουν την ικανότητα παραλαβής και µεταφοράς φορτίων. Κατά την σεισµική φόρτιση εκτός από τα κατακόρυφα φορτία η τοιχοποιία καλείται να µεταφέρει και οριζόντιες δυνάµεις οι οποίες έχουν τον κύριο λόγο στην αστοχία της. Έτσι, όταν η καταπόνηση υπερβεί την αντοχή της τοιχοποιίας οδηγούµαστε σε ψαθυρή θραύση µε απρόβλεπτες συνέπειες που µπορεί να οδηγήσουν ακόµα και στην κατάρρευση. Με βάση την προέχουσα καταπόνηση, ένα στοιχείο τοιχοποιίας µπορεί να θεωρηθεί ως φορτιζόµενο σύµφωνα µε µία από τις παρακάτω περιπτώσεις: 1. Εκτός επιπέδου κάµψη, π.χ. λόγω φόρτισης κάθετα στο επίπεδο ενός τοίχου 2. Εντός επιπέδου κάµψη, π.χ. σε πεσσούς ή υπέρθυρα. 3. Εντός επιπέδου διάτµηση σε στοιχεία τύπου διατµητικού τοιχώµατος 4. Εντός επιπέδου διάτµηση σε στοιχεία τύπου δοκού. Οι µορφές αστοχίας που προκαλούν οι παραπάνω καταπονήσεις εξαρτώνται από τη γεωµετρία της τοιχοποιίας, τον τρόπο στήριξής της καθώς και από τις αντοχές κονιαµάτων, οπτόπλινθων και διεπιφάνειας. Οι κύριες µορφές αστοχίας για καταπόνηση εντός επιπέδου είναι: Εφελκυστικές ρηγµατώσεις: Παρατηρούνται σε περιοχές ανάπτυξης εφελκυστικών τάσεων συνήθως λόγω κάµψης στο κάτω µέρος υψίκορµων πεσσών και στις γωνίες ανοιγµάτων λόγω έντονης ανάπτυξης τάσεων στις θέσεις αυτές. ιατµητική αστοχία: Ο συνδυασµός αυξηµένου αξονικού φορτίου και µικρής διατµητικής αντοχής έχει ως αποτέλεσµα τη δηµιουργία ρηγµατώσεων υπό γωνία Σ αυτή την περίπτωση αστοχίας, οι κύριες εφελκυστικές τάσεις που δηµιουργούνται από τα κατακόρυφα και τα οριζόντια φορτία υπερβαίνουν την εφελκυστική αντοχή της τοιχοποιίας. Στο µέγιστο οριζόντιο φορτίο σχηµατίζονται διαγώνιες ρωγµές οι 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

75 Ενίσχυση Ιστορικών Κατασκευών µε Ινοπλισµένα Πολυµερή (F.R.P) οποίες ακολουθούν τους κατακόρυφους και οριζόντιους αρµούς. Καθώς όµως αυξάνει το µέγεθος του αξονικού φορτίου αυξάνει και ο κίνδυνος ψαθυρής θραύσης, καθώς οι ρωγµές επεκτείνονται και στα λιθοσώµατα. Λικνισµός :Υφίστανται σε περιπτώσεις µε µεγάλο λόγο καµπτικής ροπής προς διατµητικής δύναµης. Παρουσιάζεται λικνισµός του τοίχου γύρω από τη βάση του σαν συµπαγές σώµα µε σύνθλιψη των θλιβόµενων ζωνών στης γωνίες του τοίχου και αποκόλληση των αρµών στην εφελκυόµενη ζώνη. Ολίσθηση : Οριζόντια ρηγµάτωση κατά µήκος των αρµών αποτελεί σύνηθες φαινόµενο σε ελεύθερους τοίχους και λαµβάνει χώρα όταν αστοχεί η διεπιφάνεια τσιµεντοκονιάµατος και οπτόπλινθου (υπέρβαση των δυνάµεων συνάφειας). Προκαλείται από ολίσθηση της τοιχοποιίας λόγω διαφορικών καθιζήσεων, από τη σχετική µετατόπιση δύο τοίχων λόγω καθίζησης θεµελίου καθώς επίσης και συνδυασµό καθίζησης θεµελίου και στρέψης κτιρίου. Πέρα όµως από την αστοχία που οφείλεται σε στατικά και σεισµικά φορτία, στα ιστορικά κτήρια εµφανίζονται βλάβες, οι οποίες οφείλονται στη δράση περιβαλλοντικών παραγόντων. Ως τέτοιοι παράγοντες καταγράφονται οι παρακάτω: Ατµοσφαιρική ρύπανση Αιολική διάβρωση ιάβρωση λόγω βροχής ράση υγρασίας στο εσωτερικό της τοιχοποιίας [2],[6],[7],[11] 3. ΣΤΡΑΤΗΓΗΚΗ ΓΙΑ ΤΙΣ ΕΠΕΜΒΑΣΕΙΣ Κριτήριο για την αποδοχή µιας λύσης επέµβασης είναι η εκπλήρωση της γνωστής ανισότητας : S rd R rd (1) ηλαδή τα µεγέθη έντασης επανασχεδιασµού πρέπει να είναι µικρότερα από τα αντίστοιχα µεγέθη αντοχής στα ενισχυµένα µέλη του φορέα. Εποµένως, η κατασκευή σχεδιάζεται µε τέτοιο τρόπο ώστε µετά την επέµβαση, η διαθέσιµη φέρουσα ικανότητα να ξεπερνάει την απαιτούµενη από τις κανονιστικές διατάξεις. Προκειµένου να γίνει ο ανασχεδιασµός ενός ιστορικού κτηρίου, απαιτείται σε πρώτη φάση η ανάλυση και διαστασιολόγηση της αρχικής κατασκευής. Προσδιορίζονται δηλαδή οι µηχανικές ιδιότητες, η αντοχή, το µέτρο ελαστικότητας και οι πλαστιµότητα των δοµικών υλικών και τεκµηριώνονται τα αίτια πρόκλησης των βλαβών του κτηρίου. Σηµαντικό στοιχείο ελέγχου αποτελεί η φέρουσα ικανότητα του εδάφους, γεγονός που απαιτεί την εφαρµογή της µεθόδου της δειγµατοληψίας. Καθώς οι επεµβάσεις οδηγούν σε αύξηση των φορτίων είναι αναγκαίο να προσδιοριστούν οι πρόσθετες καθιζήσεις και να εκτιµηθεί η επιρροή τους στο µνηµείο. Εξίσου σηµαντικός είναι και ο έλεγχος της στατικής επάρκειας της κατασκευής. Εφόσον στην εν λόγω κατασκευή τα υλικά είναι γνωστά, τα εντατικά µεγέθη που υπολογίζονται οδηγούν απλά σε διαπιστώσεις. Ιδιαίτερο κεφάλαιο της µελέτης της στατικής λειτουργίας είναι η µελέτη της αντισεισµικής συµπεριφοράς, η οποία επιβάλλεται ιδιαίτερα αν υπάρχουν βλάβες στον φέροντα οργανισµό. Τη στατική µελέτη διαδέχονται οι προτάσεις επεµβάσεως. Τις επεµβάσεις αυτές τις διακρίνουµε σε γενικές, οι οποίες επηρεάζουν τη στατική συµπεριφορά του συνόλου του φέροντα οργανισµού, και σε τοπικές επεµβάσεις στα ευαίσθητα τµήµατα της κατασκευής. Οι επεµβάσεις που θα γίνουν πρέπει να εξασφαλίζουν τρεις βασικές αρχές: 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα,

76 Τσώλου Ηλέκτρα 1. Σεβασµός στο µνηµειακό χαρακτήρα του ιστορικού κτηρίου 2. Συµβατότητα προτεινόµενων και υφιστάµενων υλικών 3. Αντιστρεψιµότητα προτεινόµενων επεµβάσεων [6],[7],[9] 4. ΤΙ ΕΙΝΑΙ F.R.P. Τα ινοπλισµένα πολυµερή είναι σύνθετα υλικά που αποτελούνται από συνεχείς ίνες (συνήθως άνθρακα, γυαλιού και αραµιδίου) µε υψηλή εφελκυστική αντοχή εµποτισµένες µε εποξειδική ρητίνη. Η ρητίνη διατίθεται σε µορφή δύσκαµπτων λωρίδων (πάχους της τάξης του 1mm) ή εύκαµπτων υφασµάτων (πάχους mm). Τα χαρακτηριστικά των ινοπλισµένων πολυµερών εξαρτώνται από την περιεκτικότητα τους σε ίνες. Οι ίνες σε ένα F.R.P. σύνθετο υλικό είναι το κύριο στοιχείο µεταφοράς φορτίου και παρουσιάζουν υψηλή αντοχή και ακαµψία όταν υπόκεινται σε καταπόνηση. Οι ίνες επιλέγονται βάση της αντοχής, ακαµψίας και ανθεκτικότητας που απαιτείται για την εκάστοτε περίπτωση, ενώ οι ρητίνες επιλέγονται βάση του περιβάλλοντος που το σύνθετο υλικό θα εκτεθεί. Βασικά χαρακτηριστικά που εντάσσονται στα πλεονεκτήµατά τους είναι η εξαιρετικά υψηλή εφελκυστική αντοχή, το χαµηλό βάρος και η ανθεκτικότητα σε διάρκεια. Η εφελκυστική αντοχή των σύνθετων υλικών είναι 3-4 φορές µεγαλύτερη από αυτή του κοινού χάλυβα S500 και για βραχυχρόνια φόρτιση κυµαίνεται σε MPa. Επιπλέον έχουν αποτελέσµατα µονολιθικής συµπεριφοράς σε όλα τα µέλη της κατασκευής. Στο παρακάτω σχήµα παρουσιάζονται οι καµπύλες τάσεων-παραµορφώσεων των σύνθετων υλικών µε την αντίστοιχη για χάλυβα. Όπως µπορεί εύκολα να παρατηρηθεί, τα σύνθετα υλικά συµπεριφέρονται πλήρως ελαστικά, µέχρι την αστοχία τους. Σχήµα 3: Σχέσεις τάσης-παραµόρφωσης για σύνθετα υλικά σε εφελκυσµό [9] Τα σύνθετα υλικά µε ίνες γυαλιού είναι ιδανικά για ενισχύσεις έναντι σεισµικών φορτίων, καθώς η καταπόνηση είναι προσωρινή. Πρέπει όµως να αποφεύγονται σε περιπτώσεις διαρκούς καταπόνησης, καθώς υπάρχει κίνδυνος αστοχίας λόγω φαινοµένων ερπυσµού. Σε τέτοιες περιπτώσεις χρησιµοποιούνται ίνες άνθρακα, οι οποίες είναι ιδανικές και για εξωτερική χρήση. Στα µειονεκτήµατα των σύνθετων υλικών αναφέρεται η χαµηλή ανθεκτικότητά τους σε υψηλές θερµοκρασίες, καθώς η ρητίνη καίγεται σε θερµοκρασίες υψηλότερες των 250 ο C. Επίσης παρατηρείται έλλειψη γνώσεων ως προς τον τρόπο εφαρµογής τους από τον τεχνικό 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

77 Ενίσχυση Ιστορικών Κατασκευών µε Ινοπλισµένα Πολυµερή (F.R.P) κόσµο της χώρας, καθώς είναι µια σχετικά νέα µέθοδος ενίσχυσης που έχει αναπτυχθεί µε ραγδαίους ρυθµούς. Τέλος ανασταλτικό παράγοντα χρήσης τους αποτελεί το υψηλό τους κόστος, το οποίο όµως σταδιακά µειώνεται µε το χρόνο. Τα συστήµατα που χρησιµοποιούνται για την ενίσχυση των κατασκευών είναι δύο τύπων: (α) υγρής εφαρµογής (ή επί τόπου σκλήρυνση της µήτρας) και (β) προκατασκευασµένα. Στην πρώτη κατηγορία περιλαµβάνονται τα φύλλα ή υφάσµατα µε ίνες µιας ή δύο διευθύνσεων µε το υλικό της µήτρας να εµποτίζεται επί τόπου. Η κατηγορία αυτή περιλαµβάνει επίσης ίνες χωρίς µήτρα, συγκεντρωµένες σε µορφή νήµατος, το οποίο εµποτίζεται µε ρητίνη ενώ τυλίγεται στο υπό ένταση δοµικό στοιχείο. Τα προκατασκευασµένα συστήµατα περιλαµβάνουν προκατασκευασµένα ευθύγραµµα ελάσµατα, κελύφη, µανδύες και γωνίες τα οποία επικολλούνται µέσω ρητίνης, Η τεχνική εφαρµογής τους είναι απλή και βασίζεται στην εξωτερική επικόλληση των σύνθετων υλικών, ενώ χαρακτηρίζεται από ευελιξία και ταχύτητα εκτέλεσης. Έχει δε ως αποτέλεσµα την αύξηση της παραµορφωσιµότητας των στοιχείων χωρίς να µεταβάλλεται η γεωµετρία τους ή να αυξάνεται η δυσκαµψία. Τα σύνθετα υλικά µε τα οποία θα ασχοληθούµε στην εργασία αυτή, χρησιµοποιούν ως οπλισµό ανθρακονήµατα και προσδιορίζονται από τον όρο C.F.R.P.(Carbon Fibers Reinforced Polymers). Τα C.F.R.P. συνδυάζουν υψηλές αντοχές και ακαµψία σε συνδυασµό µε εξαιρετικά χαµηλό βάρος και µεγάλη αντοχή σε γήρανση καθώς ουσιαστικά δεν διαβρώνονται. Η συγκεκριµένη διαδικασία ενίσχυσης είναι αναστρέψιµη, αφού οι ίνες µπορούν να αφαιρεθούν µε µια διαδικασία θερµού αέρα. [9],[8],[2] 5. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Αντιλαµβανόµαστε σύµφωνα µε όσα αναφέρθηκαν παραπάνω ότι είναι απαραίτητη η ενίσχυση ιστορικών κτηρίων µε σκοπό την αύξηση της φέρουσας ικανότητας και της πλαστιµότητάς τους. Η ενίσχυση της τοιχοποιίας µε σύνθετα υλικά γίνεται µε βάση τον τρόπο καταπόνησης των στοιχείων της κατασκευής. Για την περίπτωση της κάµψης εκτός επιπέδου στόχος της ενίσχυσης είναι οι οπλισµοί να τοποθετηθούν επιφανειακά παράλληλα στις τροχιές των κύριων εφελκυστικών τάσεων. Ο κύριος ρόλος αυτού του οπλισµού είναι η παραλαβή των εφελκυστικών φορτίων που αδυνατεί να παραλάβει η τοιχοποιία και εποµένως, η τοποθέτησή του γίνεται στην εφελκυόµενη ζώνη. Για εντός επιπέδου κάµψη η τοποθέτηση των οπλισµών στα εφελκυόµενα πέλµατα είναι δύσκολη και γι αυτόν ακριβώς το λόγο τοποθετείται στις πλευρές, πολύ κοντά στα πέλµατα. Έτσι έχουν την ίδια συµπεριφορά όπως και στην εκτός επιπέδου κάµψη. Ο οπλισµός αυτός µπορεί να έχει τη µορφή ελάσµατος ή υφάσµατος. Χαρακτηριστικό παράδειγµα αποτελεί µια µικρή εκκλησία η οποία έχει υποστεί βλάβες από σεισµό και έχει ενισχυθεί µε ανθρακονήµατα (Σχήµα 4). Τα ανθρακονήµα αναλαµβάνουν πλέον όλες τις εφελκυστικές τάσεις. Έχει δοθεί περισσότερο έµφαση στο έµπροσθεν τµήµα της κατασκευής καθώς έχει υποστεί σοβαρές ρηγµατώσεις. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα,

78 Τσώλου Ηλέκτρα Σχήµα 4: Εφαρµογή σύνθετων υλικών σε µια µικρή εκκλησία που υπέστη βλάβες από σεισµό.[10] Για την περίπτωση διάτµησης εντός του επιπέδου της τοιχοποιίας τα ελάσµατα διατάσσονται χιαστί (Σχήµα 5) ή παράλληλα στη διεύθυνση της τέµνουσας δύναµης. Για την καλύτερη ενεργοποίηση των ινών στην χιαστί διάταξη, είναι απαραίτητη η αγκύρωση των άκρων τους ώστε οι εφελκυστικές δυνάµεις να µεταφέρονται στην τοιχοποιία όχι µόνο µέσω της διάτµησης στη διεπιφάνεια αλλά και µέσω θλίψης. Η αγκύρωση γίνεται είτε σε στοιχεία σκυροδέµατος, όπως οι πλάκες, είτε πάνω στην τοιχοποιία σε ειδικές εσοχές. Σχήµα 5: ιάταξη της ενίσχυσης σε στοιχεία τύπου διατµητικού τοιχώµατος[11] Θα πρέπει να παρατηρήσουµε ότι η οριζόντια διάταξη των σύνθετων υλικών είναι αποτελεσµατική µόνο για το µηχανισµό αστοχίας σε διαγώνια ρηγµάτωση. Σε περίπτωση διατµητικής ολίσθησης ή λίκνισης υποδεικνύεται η χρήση οπλισµών σε κατακόρυφη διάταξη µε επαρκή αγκύρωση στη θεµελίωση. Στην περίπτωση τοιχοποιίας µε οριζόντιους αρµούς µπορούµε να τοποθετήσουµε οπλισµούς µορφής ελασµάτων µικρού πλάτους ή ράβδους µικρής διαµέτρου εντός των αρµών, αφού αρχικά προηγηθεί η αφαίρεση κονιάµατος των αρµών κοντά στις εξωτερικές επιφάνειες (Σχήµα 6α ). 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

79 Ενίσχυση Ιστορικών Κατασκευών µε Ινοπλισµένα Πολυµερή (F.R.P) (α) (β) Σχήµα 6 : (α) Ράβδος σε εγκοπή, (β) Περίσφιξη υποστυλώµατος µέσω µανδύα[2] Η τοιχοποιία των ιστορικών κτηρίων ενισχύεται επιπλέον µέσω της περίσφιξης. Στόχος της περίσφιξης είναι η αύξηση της αντοχής (θλιπτικής, διατµητικής ή εφελκυστικής) και της πλαστιµότητας µέσω της παρεµπόδισης των παραµορφώσεων κάθετα στις τροχιές των κύριων θλιπτικών τάσεων. Αυτό γίνεται µε π.χ. εξωτερικούς τένοντες που µπορεί να είναι σε επαφή µε την τοιχοποιία σε ορισµένες θέσεις, µε τρόπο αναστρέψιµο. Επίσης η περίσφιξη µπορεί να γίνει µε µανδύες, φαινόµενο που είναι σύνηθες σε εφαρµογή της µεθόδου για ενίσχυση υποστυλωµάτων (Σχήµα 6β). Όπως είναι προφανές ιδιαίτερα κάτω από σεισµικές διεγέρσεις, η τελευταία δυνατότητα είναι ευεργετική, λόγω της αυξηµένης απόσβεσης σεισµικής ενέργειας που προκαλεί. Ένας άλλος τρόπος περίσφιγξης της τοιχοποιίας είναι αυτός της ενσωµάτωσης οπλισµού στους οριζόντιους αρµούς της. Ο οπλισµός αυτός µπορεί να είναι σε µορφή λωρίδων ή ράβδων και να αυξάνει την θλιπτική αντοχή, µειώνοντας παράλληλα την πλευρική διόγκωση, όταν η τοιχοποιία υπόκειται σε επιβαλλόµενα φορτία µικρής αλλά και µεγάλης διάρκειας), καθώς επίσης και µε τη µορφή πλέγµατος, τοποθετηµένου στο κονίαµα κατασκευής των οριζόντιων αρµών. Σε ιστορικά κτήρια συχνά συναντάµε στοιχεία όπως τόξα και θόλους και τρούλους. Στην περίπτωση των τρούλων µπορεί να εφαρµοστεί η τεχνική της εξωτερικής περίσφιξης στη βάση του τρούλου µέσω οριζόντιας προέντασης ή στην κορυφή του εφόσον υπάρχει φεγγίτης ή ακόµα συνδυασµό χρήσης υφασµάτων σε σχήµα U και ενσωµάτωσης ράβδων οπλισµού (Σχήµα 7). 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα,

80 Τσώλου Ηλέκτρα Σχήµα 7 : Εφαρµογή της µεθόδου σε τρούλους.[10,2] Οι θόλοι συµπεριφέρονται σαν τριαρθωτά τόξα, καθώς λόγω των ρηγµατώσεων δηµιουργούνται αυτόµατα τρείς αρθρώσεις, εκ των οποίων η µια είναι στο κλειδί και οι άλλες κοντά στα αντερείσµατα του θόλου. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα την συγκέντρωση µεγάλων στροφών στις περιοχές έδρασης και ξεκινά η αποδιοργάνωση της τοιχοποιίας. Η στερέωση των τόξων και των θόλων λοιπόν µε σύνθετα υλικά µπορεί να γίνει µε τοποθέτηση του οπλισµού στο εσωράχιο ή εξωράχιό τους. Έτσι κατά το σχηµατισµό του µηχανισµού κατάρρευσης αποτρέπεται η δηµιουργία αρθρώσεων, καθώς τα σύνθετα υλικά απορροφούν την καταπόνηση, όπως φαίνεται στο Σχήµα 8. [2],[3],[4],[5],[8],[10] Σχήµα 8 : Στερέωση τόξων µε σύνθετα υλικά στην εξωτερική (πάνω) και εσωτερική (κάτω) όψη.[2] 6. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΦΗΣ ΤΗΣ ΜΕΘΟ ΟΥ Εξωτερικά επικολλώµενος οπλισµός: 1. Πριν την εφαρµογή των υλικών απαιτείται επιµεληµένη προετοιµασία της επιφάνειας που θα γίνει η επικόλληση. Απαιτείται δηλαδή αφαίρεση χαλαρών τµηµάτων, πλήρωση ρωγµών, εξασφάλιση επίπεδης και λείας επιφάνειας και υγιούς υποστρώµατος, χρησιµοποιώντας ειδικό µηχανικό εξοπλισµό. Προκειµένου να εξασφαλίσουµε επίπεδη επιφάνεια, χωρίς πτυχώσεις, εφαρµόζεται µια στρώση από επισκευαστικό κονίαµα που θα υποδεχθεί το υλικό, καθώς στόχος είναι η µεταφορά δυνάµεων στα σύνθετα υλικά µε όσο το δυνατόν µεγαλύτερη ασφάλεια. 2. Στην περίπτωση που το σύνθετο υλικό καλύπτει γωνίες, αυτές εξοµαλύνονται και λειαίνονται για να αποκτήσουν καµπυλότητα µε ακτίνα 30 mm. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

81 Ενίσχυση Ιστορικών Κατασκευών µε Ινοπλισµένα Πολυµερή (F.R.P) 3. Επαλείφουµε την επιφάνεια αναµονής µε εποξειδική ρητίνη πάχους 1-2 mm µε κατάλληλο ιξώδες που διευκολύνει την τοποθέτηση του φύλλου. Στην κεντρική περιοχή επαφής η κόλλα έχει µεγαλύτερο πάχος της τάξης των 10 mm, έτσι ώστε κατά την τοποθέτηση του φύλλου η κόλλα να προχωράει προς τα έξω όταν συµπιεστεί. 4. Εφαρµόζεται οµοιόµορφη πίεση καθώς τοποθετείται το φύλλο του σύνθετου υλικού στην επιφάνεια αναµονής, µε τρόπο που αποφεύγεται ο εγκλωβισµός αέρα µέσα σ αυτό. Συνήθως γίνεται χρήση ενός σκληρού ρολού. 5. Αφότου περάσει µισή έως µια ώρα από την τοποθέτηση, αφαιρείται το προστατευτικό κάλυµµα του φύλλου και οι ίνες επαλείφονται µε µία δεύτερη στρώση της ίδιας ρητίνης. 6. Αν προβλέπεται η τοποθέτηση παραπάνω του ενός φύλλου, η διαδικασία επαναλαµβάνεται, προετοιµάζοντας µε τρόπο ανάλογο την εξωτερική επιφάνεια του προηγούµενου ελάσµατος. 7. Η καλή αγκύρωση των οπλισµών ενίσχυσης (στα άκρα τους) είναι απαραίτητη για την εξασφάλιση της ικανότητας ανάληψης σηµαντικών δυνάµεων από τα σύνθετα υλικά. Η βασικότερη µέθοδος αγκύρωσης είναι µέσω µεταλλικών πλακών. Οι πλάκες τοποθετούνται στις ακραίες περιοχές του ελάσµατος και στις δυο όψεις του στοιχείου (π.χ. του τοίχου) ενώ ένας αριθµός προεντεταµένων κοχλιών ασκεί θλιπτική πίεση εγκλωβίζοντας το έλασµα του ινοπλισµένου υλικού αυξάνοντας την τριβή µεταξύ πλάκας και ελάσµατος. Επίσης η αγκύρωση µπορεί να γίνει µέσω γωνιακών µεταλλικών ελασµάτων ή µέσω της δηµιουργία εγκοπών µέσα στο σώµα του τοίχου όπου µε µηχανικά µέσα επιτυγχάνεται η αγκύρωση του ελάσµατος. [8],[9],[12] Σχήµα 9: Αγκύρωση οπλισµών ενίσχυσης [12] 7. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Με την ενίσχυση των ιστορικών κατασκευών µε ινοπλισµένα πολυµερή, εκτός από την αρχιτεκτονική διασφάλιση της ιστορικότητας και της µνηµειακής αξίας τους, βελτιώνουµε τη 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα,

82 Τσώλου Ηλέκτρα στατική τους λειτουργία. Ακόµα και αν τα φύλλα ξεκολλήσουν από την τοιχοποιία, λόγω των µεγάλων µετακινήσεων, µπορούν ακόµα να δεχτούν εφελκυστικές δυνάµεις που τις µεταφέρουν στα άκρα της τοιχοποιίας µέσω των σηµείων αγκύρωσης. Τα υλικά και οι µέθοδοι εφαρµογής εξελίσσονται ταχύτατα δίνοντας προηγµένες ιδιότητες και χαρακτηριστικά, ενώ ο ρόλος τους στις κατασκευές είναι πρωταγωνιστικός. Στη χώρα αµ σ όµως, υπάρχει έλλειψη βασικών γνώσεων και παιδείας, η οποία πρέπει να καλυφθεί µε περαιτέρω έρευνα και ενηµέρωση, ώστε η συγκεκριµένη τεχνική να δίνει ακριβή και αξιόπιστα αποτελέσµατα. 8. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Αναλυτικός προσδιορισµός της συµπεριφοράς ενισχυµένης τοιχοποιίας µε σύνθετα υλικά έναντι µονοτονικής επιβολής µετακίνησης., Μουζάκης Χάρης, 3 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Αντισεισµικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισµολογίας 5-7 Νοεµβρίου, 2008, Άρθρο 2040 [2] Ενισχύσεις Κατασκευών Σκυροδέµατος Και Τοιχοποιίας Με Σύνθετα Υλικά, Αθ. Χ. Τριανταφύλλου, Πάτρα 2006 [3] Innovation on advanced composite materials for strengthening and blast protection of historical masonry structures, P. Casadei, E. Agneloni, 2009 [4] Τα ινοπλισµένα πολυµερή στις επεµβάσεις σε κατασκευές από οπλισµένο σκυρόδεµα., Ε. Βιντζηλαίου, Τεχνικό Επιµελητήριο Ελλάδας, [5] Strengthening of Masonry Arches with Fiber-Reinforced Polymer Strips., Paolo Foraboschi, Journal of composites for construction ASCE/MAY/JUNE 2004 [6] Αποκατάσταση Επανάχρηση Ιστορικών Κτιρίων και Συνόλων, Νοµικός Ε. Μιχαήλ, Τµήµα Αρχιτεκτόνων Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη, 1997 [7] Πρακτικά 1 ου Εθνικού Συνεδρίου Θεσσαλονίκης Appropriate interventions for the safeguarding of monuments and historical buildings. Ήπιες επεµβάσεις και προστασία ιστορικών κατασκευών- ιατήρηση και βελτίωση της αρχικής δοµής και τυπολογίας., Νοεµβρίου 2000 [8] Ενισχύσεις Κατασκευών Με Σύνθετα Υλικά., Αθ. Χ. Τριανταφύλλου, Ηµερίδα ΤΕΕ Ενίσχυση Κατασκευών Με Σύνθετα Υλικά., 18 Μαΐου 2000 [9] Ενισχύσεις- Επισκευές Κατασκευών Οπλισµένου Σκυροδέµατος, Σ. ρίτσος, Πανεπιστήµιο Πατρών Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πάτρα 2011 [10] ικτυακός τόπος [11] Ενίσχυση Φέρουσας Τοιχοποιίας Για Εντός Επιπέδου Φόρτιση Με Σύνθετα Υλικά Ανόργανης Μήτρας Και Με Ράβδους Σύνθετων Υλικών Σε Εγκοπές., ιατριβή Μεταπτυχιακού ιπλώµατος Ειδίκευσης, Κυριάκος Κάρλος, Πανεπιστήµιο Πατρών-Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πάτρα 2005 [12] Συµβολή Στην Αναλυτική Και Πειραµατική Μελέτη Της Φέρουσας Τοιχοποιίας Ενισχυµένης Με Σύνθετα Υλικά, ιδακτορική ιατριβή, Κρεβαίκα Θεοφανή, Πανεπιστήµιο Πατρών-Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πάτρα ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

83 Ενίσχυση Κατασκευών Οπλισµένου Σκυροδέµατος Έναντι Εκρήξεων µε Σύνθετα Υλικά ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΕΝΑΝΤΙ ΕΚΡΗΞΕΩΝ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΠΑΝΟΥΤΣΟΠΟΥΛΟΥ ΛΥ ΙΑ Περίληψη Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η παρουσίαση των ενισχύσεων κατασκευών Ο.Σ. µε σύνθετα υλικά, µε σκοπό την αύξηση της αντοχής τους έναντι εκρήξεων. Αρχικά, γίνεται αναφορά στον τρόπο µε τον οποίο εξελίσσεται µια έκρηξη και τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται. Στη συνέχεια, εξηγούνται οι λόγοι που οδηγούν στην επιλογή των σύνθετων υλικών για την ενίσχυση και γίνεται παρουσίαση της µέχρι τώρα έρευνας (αναλυτικής, πειραµατικής και στον τοµέα της ανάπτυξης νέων υλικών). 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια ολοένα και αυξάνονται τα περιστατικά εκρήξεων, κυρίως από τροµοκρατικές επιθέσεις, αλλά και ατυχήµατα. Εκτός από τις απώλειες ζωής που οφείλονται σε αυτήν καθεαυτή την έκρηξη, ο αριθµός των θυµάτων αυξάνεται και έµµεσα, όταν αυτή λαµβάνει χώρα κοντά ή µέσα σε κτίρια, προκαλώντας αστοχίες µελών ή ακόµη και κατάρρευση της κατασκευής. Πρόσφατα παραδείγµατα αποτελούν οι βοµβιστικές επιθέσεις στην αυστραλιανή πρεσβεία στην Jakarta (2004), στο Bali (2002 και 2005), την Κωνσταντινούπολη (2003), το Όσλο (2011) και φυσικά η 11 η Σεπτεµβρίου Καθώς κανένα κτίριο δε σχεδιάζεται µε γνώµονα την ανθεκτικότητα έναντι εξωτερικών εκρήξεων κάτι τέτοιο θα ήταν αρκετά αντιοικονοµικό την τελευταία δεκαετία εντείνεται η έρευνα στον τοµέα της ενίσχυσης υφιστάµενων κατασκευών. Άλλωστε, µεγαλύτερη πιθανότητα να πληγούν από τροµοκρατικές ενέργειες έχουν κυβερνητικά και στρατιωτικά κτίρια, τα οποία συνήθως είναι ευάλωτα, λόγω της παλαιότητάς τους, ενώ πολλά από αυτά αποτελούν ιστορικά µνηµεία. Επίσης, κτίρια υποδοµής, όπως αεροδρόµια, νοσοκοµεία, εργοστάσια παραγωγής ενέργειας, αλλά και άλλες κατασκευές, για παράδειγµα γέφυρες, έχουν υποστεί σοβαρές βλάβες µετά από επιθέσεις ή εκρήξεις που προκλήθηκαν από ατυχήµατα. Παρουσιάζεται, λοιπόν, η ανάγκη ενίσχυσης τέτοιων κατασκευών, έτσι ώστε να αυξηθεί η ανθεκτικότητά τους σε αυτά τα φαινόµενα. Τα σύνθετα υλικά ή ινοπλισµένα πολυµερή (FRP) προσφέρονται για αυτόν το σκοπό, κυρίως διότι αποτελούν µια οικονοµικά αποδοτική, γρήγορη στην εφαρµογή λύση. Χάρη στο µικρό τους βάρος, δεν επιβαρύνουν την κατασκευή, ενώ ταυτόχρονα προσφέρουν µεγάλη αντοχή και αύξηση της πλαστιµότητας. Επιπλέον, σε σχέση µε άλλες µεθόδους ενίσχυσης, για παράδειγµα µανδύες οπλισµένου σκυροδέµατος, δεν αλλάζουν δραστικά την αρχιτεκτονική µορφή του κτιρίου κάτι που έχει ιδιαίτερη σηµασία αν πρόκειται για ιστορικό µνηµείο ούτε παρεµποδίζουν έντονα τη λειτουργία του κατά την εφαρµογή τους, η οποία γίνεται ταχύτατα και εύκολα [1]. 2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ 2.1. ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΕΞΑΡΤΗΣΗΣ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ Το βασικότερο πρόβληµα στην αντιµετώπιση εκρήξεων είναι η απρόβλεπτη φύση της έκρηξης. Είναι αδύνατο να προβλεφθεί µε ακρίβεια το πώς θα εξελιχθεί το φαινόµενο, διότι αυτό εξαρτάται από πολλούς και ποικίλους παράγοντες. Πρώτα απ όλα, υπάρχουν τεράστιες δυνατότητες ως προς το χρησιµοποιούµενο εκρηκτικό και τον τρόπο µε τον οποίο κατασκευάζεται η βόµβα. ιάφορα εκρηκτικά µπορούν να χρησιµοποιηθούν, όπως το τρινιτροτολουόλιο (TNT) (µε ή χωρίς προσµίξεις άλλων υλικών) και το ΑΝFO (µίγµα νιτρικού αµµωνίου και ενός είδους πετρελαίου 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

84 Πανουτσοπούλου Λυδία θέρµανσης). Συνηθέστερα, όµως, χρησιµοποιούνται αυτοσχέδιοι εκρηκτικοί µηχανισµοί (IED), φτιαγµένοι πολλές φορές από µη στρατιωτικά, καθηµερινής χρήσης υλικά, όπως λίπασµα. Το κάθε εκρηκτικό υλικό, ανάλογα µε τη σύστασή του, την κατασκευή του µηχανισµού και τον τρόπο πυροδότησης, συµπεριφέρεται διαφορετικά, ως προς την ταχύτητα και το µέγεθος της έκρηξης, την έκλυση θερµότητας, το µέγεθος και σχήµα των εκτοξευόµενων θραυσµάτων [4]. Σηµαντικότερος παράγοντας που επηρεάζει µια έκρηξη, όσον αφορά στο ίδιο το εκρηκτικό, είναι το βάρος του, W. Προφανώς, η καταστροφική ικανότητά του αυξάνεται µε την αύξηση της ποσότητας. Γι αυτό και, γενικά, µεγαλύτερο κίνδυνο για ένα κτίριο αποτελούν τα παγιδευµένα οχήµατα, κινούµενα ή όχι, αφού προσφέρουν µεγάλη χωρητικότητα, συνδυαζόµενη µε δυνατότητα κάλυψης του µηχανισµού [2]. Εξίσου σηµαντική είναι και η απόσταση του κτιρίου από το επίκεντρο της έκρηξης, R. Όσο µεγαλύτερη είναι αυτή η απόσταση, τόσο µικρότερη βλάβη προκαλείται. Σε υπάρχουσες κατασκευές η αύξηση αυτής της απόστασης µπορεί να γίνει κυρίως µε ελέγχους σε οχήµατα και επισκέπτες από προσωπικό ασφαλείας, ώστε τουλάχιστον να αποτραπεί το δυσµενέστερο ενδεχόµενο έκρηξης στο εσωτερικό του κτιρίου [2]. Ακόµη, η εξέλιξη µιας έκρηξης επηρεάζεται και από εµπόδια, τα οποία τυχόν συναντά το ωστικό κύµα στην πορεία του και µπορούν να συµβάλλουν στην απορρόφηση της εκλυόµενης ενέργειας [2]. Τέλος, έχει αποδειχθεί από πειραµατικές µελέτες ότι πανοµοιότυποι εκρηκτικοί µηχανισµοί στην ίδια απόσταση από το στόχο δίνουν διαφορετικά αποτελέσµατα εξαιτίας µεταβολών στις περιβαλλοντικές συνθήκες, π.χ. την υγρασία, τη θερµοκρασία και τον άνεµο [3, 4] ΕΙ ΟΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ Μια έκρηξη εκδηλώνεται στα γειτονικά της αντικείµενα ως µια σχεδόν στιγµιαία αύξηση της πίεσης σε µια µέγιστη τιµή. Ακολουθεί µια σύντοµη θετική φάση, κατά την οποία η πίεση επιστρέφει στην αρχική της τιµή, και, τέλος, µια µεγαλύτερη σε διάρκεια, λιγότερο έντονη αρνητική φάση, όπου η πίεση αλλάζει φορά. Το όλο φαινόµενο ολοκληρώνεται µέσα σε µερικά ms. Κατά τη µελέτη µιας κατασκευής ή της ενίσχυσης µιας ήδη υπάρχουσας, η παραπάνω πορεία απλοποιείται, κάνοντας χρήση ενός ισοδύναµου τριγωνικού παλµού, αγνοώντας την αρνητική φάση (βλ. Σχ. 1) [2]. Σχήµα 1: (a) Πραγµατική και (b) απλοποιηµένη χρονοϊστορία πίεσης [5]. Τα χαρακτηριστικά του ισοδύναµου παλµικού φορτίου του διαγράµµατος (b) του παραπάνω σχήµατος υπολογίζονται ώστε να ανταποκρίνονται στη µέγιστη πίεση (p r ) και τη συνολική 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

85 Ενίσχυση Κατασκευών Οπλισµένου Σκυροδέµατος Έναντι Εκρήξεων µε Σύνθετα Υλικά ανακλώµενη ώση (i r ) στη θετική φάση του πραγµατικού φορτίου [2]. Προκύπτει, έτσι, η διάρκεια σχεδιασµού του φαινοµένου, t d, ως [2]: t d = 2 i r / p r (1) Οι παραπάνω παράµετροι, p r και i r, µπορούν να εκτιµηθούν για διάφορους συνδυασµούς απόστασης R και βάρους εκρηκτικής ύλης W (µε το W να εκφράζεται σε µάζα TNT) από διαγράµµατα, συναρτήσει της κανονικοποιηµένης απόστασης, Ζ, µε [2, 5]: Z = R / W 1/3 (2) Υπάρχουν, όµως, διαθέσιµα αρκετά προγράµµατα Η/Υ, όπως το CONWEP, τα οποία µπορούν να χρησιµοποιηθούν γι αυτόν το σκοπό, δίνοντας αρκετά καλά αποτελέσµατα. [2] 3. ΤΙ ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΖΕΙ ΜΙΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΓΙΑΤΙ ΕΠΙΛΕΓΟΥΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Επιπλέον των συνήθων απαιτήσεων (εύκολη και γρήγορη εφαρµογή µε την ελάχιστη όχληση, µικρό κόστος, διατήρηση όψης και διαστάσεων εσωτερικών χώρων του κτιρίου κλπ.), µια ενίσχυση κατασκευής έναντι εκρήξεων θα πρέπει να περιορίζει τις βλάβες της κατασκευής, βοηθώντας να διατηρηθεί σε επαρκή επίπεδα η αντοχή, ώστε να µειωθεί ο κίνδυνος σταδιακής κατάρρευσης [1, 3, 5, 6]. Παράλληλα µε την αύξηση της αντοχής, πρέπει να αυξηθεί η πλαστιµότητα, άρα και η δυνατότητα απορρόφησης ενέργειας του κτιρίου. Εξίσου σηµαντική είναι και η µείωση των θραυσµάτων που εκτοξεύονται από τα στοιχεία της κατασκευής, όταν αυτά πληγούν από το ωστικό κύµα της έκρηξης, και αποτελούν βασική αιτία τραυµατισµών [1]. Συνήθεις λύσεις, όπως µανδύες οπλισµένου σκυροδέµατος, µεταλλικοί κλωβοί, τοιχωµατοποίηση πλαισίων και προσθήκη νέων τοιχωµάτων, κρίνονται ακατάλληλες, παρόλο που αυξάνουν την αντοχή ή/και την πλαστιµότητα της κατασκευής, κυρίως λόγω του αυξηµένου κόστους, χρόνου ολοκλήρωσης και µεγέθους της επέµβασης, ενώ προσθέτουν µάζα στην κατασκευή, αλλάζοντας τη συµπεριφορά της στο σεισµό [1, 3]. Λαµβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, προσφορότερη µέθοδος ενίσχυσης φαίνεται να αποτελούν τα σύνθετα υλικά. Το σχετικά υψηλό κόστος τους αντισταθµίζεται από την υψηλή αντοχή και το πολύ µικρό τους βάρος. Επίσης, µπορούν πιο εύκολα να προσαρµοστούν στις διαστάσεις και σχήµατα των προς ενίσχυση στοιχείων, ενώ δε µειώνουν το διαθέσιµο χώρο. Εφαρµόζονται ταχύτατα, χωρίς απαίτηση πολυάριθµου προσωπικού. Εν αντιθέσει µε το χάλυβα, έχουν µεγάλη αντοχή σε διάβρωση, µειωµένο κόστος µεταφοράς και συντήρησης [1, 3, 4]. Τέλος, ειδικά όταν εφαρµόζονται σε µεγάλη επιφάνεια του στοιχείου και δεν έχει προηγηθεί φυσικά η δική τους αστοχία, µπορούν να συγκρατούν τα θραύσµατα, π.χ. από πλάκες και τοιχοπληρώσεις [1, 4, 7]. 4. ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΕΡΕΥΝΑ 4.1. ΓΕΝΙΚΑ υστυχώς, η υπάρχουσα έρευνα πάνω στο θέµα της ενίσχυσης κατασκευών για την αντιµετώπιση εκρήξεων είναι ακόµη περιορισµένη, αν και εντείνεται τα τελευταία πέντε περίπου χρόνια. Αυτό οφείλεται σε δύο λόγους: Πρώτον, οι εκρήξεις ως σοβαρή απειλή για µια κατασκευή αναγνωρίστηκαν µετά την επίθεση στους ίδυµους Πύργους το εύτερον, λόγω της περιπλοκότητας του φαινοµένου, είναι δύσκολο να µελετηθεί τόσο υπολογιστικά όσο και πειραµατικά. Όσον αφορά στην υπολογιστική ανάλυση, αυτή γίνεται µε χρήση Πεπερασµένων Στοιχείων. Όµως, υπεισέρχονται πάρα πολλοί παράγοντες που, ει δυνατόν, πρέπει να ληφθούν υπόψη, όπως αυτοί που περιγράφονται στην ενότητα 2.1. Επιπλέον, υπάρχουσες αναλύσεις έχουν δείξει ότι σηµαντικότατη είναι και η επιρροή της συµπεριφοράς των υλικών της κατασκευής υπό κρουστικά φορτία [1-3, 5]. Ακόµη και αν 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

86 Πανουτσοπούλου Λυδία γίνουν αρκετές απλοποιητικές παραδοχές, το πρόβληµα παραµένει σύνθετο, δυσχεραίνοντας την αναλυτική έρευνα. Από την άλλη πλευρά, η εκτέλεση πειραµάτων, εκτός από επικίνδυνη και δαπανηρή, έχει µεγάλο κόστος, απαιτεί ειδικούς χώρους για την πραγµατοποίησή της ή ακόµη «σκοντάφτει» σε περιορισµούς σχετικά µε τη χρήση εκρηκτικών [1, 4] ΑΝΑΛΥΤΙΚΕΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ Η ανάλυση εκρήξεων µε τη Μέθοδο των Πεπερασµένων Στοιχείων έχει να αντιµετωπίσει διάφορα σύνθετα προβλήµατα. Καταρχάς, οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται µια έκρηξη είναι πάρα πολλοί, ώστε να µπορέσουν να ληφθούν υπόψη µε ακρίβεια, συνεπώς είναι απαραίτητες απλοποιητικές παραδοχές. Υπάρχουν, όµως, και διαφορές ως προς τη συµπεριφορά των υλικών στις συνθήκες φόρτισης που επιβάλλει µια τέτοια φόρτιση. Συγκεκριµένα, η σχεδόν στιγµιαία αύξηση της πίεσης εξαιτίας της έκρηξης επιβάλλει υψηλό ρυθµό παραµόρφωσης. Το υλικό φτάνει την τάση διαρροής, χωρίς να έχει αναπτύξει και την παραµόρφωση διαρροής, µε αποτέλεσµα να αναπτύσσει µεγαλύτερη τάση, µέχρι τελικά να επιτευχθεί η παραµόρφωση διαρροής (strain rate effect). Από αυτό το φαινόµενο επηρεάζονται, φυσικά, όλα τα υλικά από τα οποία αποτελείται η διατοµή (σκυρόδεµα, ράβδοι οπλισµού και FRP), το καθένα µε διαφορετικό τρόπο. Έχει βρεθεί ότι η συµβολή του φαινοµένου αυτού στη γενικότερη συµπεριφορά της κατασκευής είναι πολύ σηµαντική, άρα πρέπει να ληφθεί υπόψη. Αρκετά µοντέλα έχουν αναπτυχθεί γι αυτόν το σκοπό, αλλά υπάρχουν περιθώρια βελτίωσής τους [1-3, 5]. Εκτός από το παραπάνω φαινόµενο, έχει παρατηρηθεί πως η δυναµική φύση της φόρτισης µπορεί να προκαλέσει σηµαντική µείωση του φορτίου που απαιτείται για την αποκόλληση των FRP από το σκυρόδεµα, σε σύγκριση µε αυτό που θα ήταν, αν το φορτίο επιβαλλόταν στην κατασκευή στατικά. Για την πλήρη κατανόηση αυτού του θέµατος χρειάζεται περαιτέρω έρευνα [3]. Σχήµα 2: Παράδειγµα προσοµοίωσης πλάκας ενισχυµένης µε GFRP για ανάλυση έκρηξης [3] ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στην πλειοψηφία τους, τα πειράµατα που έχουν εκτελεστεί µέχρι τώρα είχαν ποιοτικό χαρακτήρα, ήτοι απαντούσαν κατά κύριο λόγο στην ερώτηση «Βελτιώνουν τα σύνθετα υλικά 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

87 Ενίσχυση Κατασκευών Οπλισµένου Σκυροδέµατος Έναντι Εκρήξεων µε Σύνθετα Υλικά την αντοχή των ελεγχόµενων δοκιµίων σε εκρήξεις;», χωρίς να µελετούν σε βάθος τη συµπεριφορά των ενισχυµένων στοιχείων. Επίσης, πολλές φορές η λήψη δεδοµένων από το πεδίο είναι αδύνατη, λόγω καταστροφής των οργάνων µέτρησης [1]. Υπάρχουν, ακόµη, περιπτώσεις, όπου τα πραγµατικά δεδοµένα, π.χ. η µετρούµενη χρονοϊστορία πιέσεων και οι παρατηρούµενες µετακινήσεις χαρακτηριστικών σηµείων των δοκιµίων, δεν ταυτίζονται πλήρως µε αυτά που προβλέπουν προηγούµενες αναλύσεις µε χρήση Η/Υ. Το τελευταίο αποδίδεται σε συστηµατικά σφάλµατα των οργάνων µέτρησης και σε µεταβολές των περιβαλλοντικών συνθηκών (υγρασία, ατµοσφαιρική πίεση, θερµοκρασία, άνεµος), παράγοντες δηλαδή που είναι αδύνατο να ληφθούν όλοι υπόψη κατά την ανάλυση [3, 4]. Στα περισσότερα πειράµατα, το σύνθετο υλικό που προτιµήθηκε (χωρίς να δικαιολογείται παράλληλα αυτή η επιλογή, πιθανόν, όµως, επειδή πρόκειται για τα πιο διαδεδοµένα) ήταν φύλλα ή υφάσµατα ινών άνθρακα (CFRP) και γυαλιού (GFRP), µε ίνες είτε σε µία είτε σε δύο κατευθύνσεις. Ως ελεγχόµενα στοιχεία χρησιµοποιήθηκαν κυρίως πλάκες και τοιχοπληρώσεις, αφού, εκτός της κατάρρευσης του κτιρίου, σε δικές τους αστοχίες οφείλονται για τα περισσότερα θύµατα, αλλά έχουν γίνει και πειράµατα σε υποστυλώµατα και δοκούς [1]. Βασικό σηµείο, στο οποίο συµφωνούν όλοι οι ερευνητές, είναι ότι χάρη στη χρήση των FRP µειώθηκαν αρκετά οι παρατηρούµενες µετακινήσεις στα δοκίµια που ελέχθησαν, ενώ αυξήθηκε η απορρόφηση ενέργειας. Όσον αφορά στα πειράµατα σε πλάκες, η µείωση αυτή ήταν, περίπου, από 20% έως 40% για τις µέγιστες µετακινήσεις, έφτανε σχεδόν το 70% για τις παραµένουσες, ενώ η απορρόφηση ενέργειας παρουσίαζε αύξηση της τάξης του 80% [4]. Παρόµοια ήταν τα αποτελέσµατα και για υποστυλώµατα, δοκούς και τοιχοπληρώσεις, στις περιπτώσεις όπου καταγράφηκαν µετρήσεις [1]. Επίσης σε πλάκες, βρέθηκε ότι µεγαλύτερο πρόβληµα αποτελεί η διάτµηση κοντά στις στηρίξεις. Προτιµητέα είναι η ενίσχυση και στις δύο πλευρές της πλάκας ή τουλάχιστον στη θλιβόµενη, καθώς ενίσχυση µόνο στην εφελκυόµενη πλευρά της πλάκας δεν προσφέρει τίποτα [1, 4-6]. Οι βλάβες συγκεντρώνονται στο κέντρο των πλακών [4-6]. Στις περιπτώσεις που παρατηρήθηκε αποκόλληση, αυτή δεν ήταν στη διεπιφάνεια σκυροδέµατος-frp, αλλά µεταξύ των στρώσεων του FRP [5, 6]. Αύξηση των στρώσεων από ένα σηµείο και µετά δε φαίνεται να µειώνει ουσιαστικά τις παρατηρούµενες µετακινήσεις στο κέντρο της πλάκας [1]. Όπως και οι πλάκες, έτσι και οι τοιχοπληρώσεις αστοχούν κυρίως σε διάτµηση [1, 7]. Οι στρώσεις του σύνθετου υλικού, όποιο κι αν ήταν αυτό, βοήθησαν επιπροσθέτως και στη συγκράτηση θραυσµάτων [1, 7]. Και εδώ, αύξηση των στρώσεων του υλικού δεν προσφέρει µείωση των µετακινήσεων [1]. Εξαιτίας της µικρής αντοχής των οπτόπλινθων, καθώς αυτοί θρυµµατίζονται, µετά την ολοκλήρωση του φαινοµένου και εφόσον έχει χρησιµοποιηθεί FRP µε τη µορφή υφάσµατος, αυτό αποκολλάται και γίνεται πιο χαλαρό [7]. Σχήµα 3: Τυπική πειραµατική διάταξη σε ανοικτό πεδίο [4]. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

88 Πανουτσοπούλου Λυδία Σχήµα 4: Τυπική πειραµατική διάταξη εντός ορυχείου [5]. Σχήµα 5: Αστοχία πλάκας ενισχυµένης µε CFRP. (a) Αποκόλληση του CFRP και (b) Ρωγµές [6]. 5. ΥΒΡΙ ΙΑ ΝΕΑ ΥΛΙΚΑ Εξαιτίας των ειδικών απαιτήσεων που προκύπτουν από την ιδιαιτερότητα του φαινοµένου µιας έκρηξης, γίνεται συνεχώς προσπάθεια εύρεσης συνδυασµών υλικών (υβρίδια), αλλά και εξ ολοκλήρου νέων υλικών. Με τα υβρίδια, εκµεταλλευόµαστε τη δυνατότητα συνδυασµού διαφόρων υλικών για τη δηµιουργία ενός νέος προϊόντος µε τις επιθυµητές ιδιότητες. Μέχρι σήµερα, έχουν επιχειρηθεί πολλοί συνδυασµοί, όπου το ένα υλικό είχε εξαιρετική αντοχή, ενώ το άλλο 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

89 Ενίσχυση Κατασκευών Οπλισµένου Σκυροδέµατος Έναντι Εκρήξεων µε Σύνθετα Υλικά υπερτερούσε στην ολκιµότητα. Για παράδειγµα, έχουν δηµιουργηθεί υβρίδια GFRP µε Kevlar (υβρίδιο Κ/G) [7] και CFRP µε σπρέι πολυουρίας (CPU) [4]. Για το σχηµατισµό του υβριδίου Κ/G, εξυφαίνονται ίνες Kevlar µέσα στις ίνες γυαλιού και συνδέονται µαζί τους θερµοχηµικά. Σύµφωνα µε πειραµατικά αποτελέσµατα σε τοιχοπληρώσεις, το υβρίδιο Κ/G παρουσιάζει εξαιρετικά πλάστιµη συµπεριφορά, ευκολότερη εφαρµογή σε σχέση µε το CFRP και τα δοκίµια που ενισχύθηκαν µε αυτό είχαν µικρότερες παραµένουσες παραµορφώσεις [7]. Το CPU προκύπτει µε ψεκασµό µε σπρέι πολυουρίας ενός µέλους που έχει ήδη ενισχυθεί µε CFRP. Η πολυουρία, χάρη στη µεγάλη παραµορφωσιµότητά της, εκτός από αύξηση της πλαστιµότητας του υβριδίου, προσφέρει και δυνατότητα συγκράτησης των θραυσµάτων. Όπως και το υβρίδιο Κ/G, έτσι και η χρήση του CPU οδήγησε σε µείωση των παραµορφώσεων και αύξηση της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας [4]. Ένα πολλά υποσχόµενο νέο υλικό είναι το SRP (steel fiber reinforced polymer), κατασκευασµένο από καλώδια χάλυβα υψηλής αντοχής σε µήτρα πολυµερικής ρητίνης. Ενώ η αντοχή του είναι συγκρίσιµη µε του CFRP, είναι πολύ φθηνότερο, εµποτίζεται µε ρητίνη εύκολα λόγω της τραχύτητάς του, δε χρειάζεται καµπύλωση τυχόν γωνιών πριν την εφαρµογή του και µπορούν να χρησιµοποιηθούν επιπλέον µηχανικά αγκύρια (π.χ. ήλοι) για βελτίωση της σύνδεσης. Τα πειράµατα που έγιναν µε αυτό δείχνουν ότι είναι εφάµιλλο µε το CFRP [5]. Σχήµα 6: (a) Καλώδια χάλυβα και (b) φύλλο SRP [5]. 6. ΠΕ ΙΑ ΓΙΑ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΕΡΕΥΝΑ Το πρόβληµα της ενίσχυσης κατασκευών έναντι εκρήξεων είναι πολυδιάστατο, προσφέροντας ένα ευρύ ερευνητικό πεδίο. Οι πολλές παράµετροι που εισάγονται εξαιτίας της φύσης της φόρτισης περιπλέκουν τα πράγµατα, κάνοντας έτσι φανερή την ανάγκη διεξαγωγής περαιτέρω αναλυτικής και πειραµατικής έρευνας. Η πολύ σύντοµη διάρκεια, η ταχύτητα εξέλιξης και η καταστροφική ικανότητα του φαινοµένου δυσχεραίνουν την προσπάθεια κατανόησης της απόκρισης των κατασκευών µόνο µέσα από πειραµατικές δοκιµές. Πρέπει, λοιπόν, να δηµιουργηθούν ακριβέστερα µοντέλα προσοµοίωσης, τόσο της ίδιας της έκρηξης όσο και των κατασκευών, ώστε, για παράδειγµα, να εξακριβωθεί η συνδροµή του υψηλού ρυθµού παραµόρφωσης στη συµπεριφορά των υλικών και να αποδοθεί καλύτερα ο δεσµός FRP επιφάνειας σκυροδέµατος/τοιχοπλήρωσης σε συνθήκες δυναµικής φόρτισης [1, 3]. Επίσης, σύµφωνα µε τα υπάρχοντα πειράµατα που έχουν γίνει σε πλάκες, φαίνεται ότι καθοριστική για την αστοχία των µελών αυτών ήταν η διατµητική αντοχή. Καθώς η διατµητική αστοχία είναι ψαθυρή, άρα ανεπιθύµητη, περαιτέρω δοκιµές και αναλύσεις πρέπει να πραγµατοποιηθούν, ώστε να βρεθεί τρόπος αποφυγής της [5]. Τέλος, υπάρχει δυνατότητα να βελτιστοποιηθούν οι τεχνικές και τα υλικά ενίσχυσης, κάνοντας χρήση υβριδικών υλικών, τα οποία συνδυάζουν τα πλεονεκτήµατα των υλικών από 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

90 Πανουτσοπούλου Λυδία τα οποία συντίθενται, σπρέι πολυµερών ή και νέων σύνθετων υλικών, όπως αναφέρθηκε παραπάνω [1, 4, 5, 7]. 7. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η υπάρχουσα έρευνα, είτε αναλυτική είτε πειραµατική, καθιστά φανερή την αποτελεσµατικότητα των ενισχύσεων κατασκευών µε σύνθετα υλικά, ώστε να αυξηθεί η ανθεκτικότητά τους σε εκρήξεις. Λόγω του πολύπλοκου και απρόβλεπτου χαρακτήρα µιας έκρηξης, δεν είναι δυνατόν να κατανοηθεί σε βάθος η συµπεριφορά µιας κατασκευής υπό τα ωστικά κύµατα που προκαλούνται από µια έκρηξη µόνο µέσω πειραµάτων. Χρειάζεται να αναπτυχθούν ακριβέστερα προσοµοιώµατα της δυναµικής συµπεριφοράς της κατασκευής και των υλικών από τα οποία αποτελείται. Σ αυτά θα πρέπει, στο βαθµό που είναι δυνατό, να λαµβάνονται υπόψη όλοι οι διαφορετικοί παράγοντες που επηρεάζουν µια έκρηξη. Αυτά τα προσοµοιώµατα, σε συνδυασµό µε πειραµατικά αποτελέσµατα, θα µπορέσουν να οδηγήσουν στην ανάπτυξη αποτελεσµατικών µεθόδων σχεδιασµού µιας ενίσχυσης. Προφανώς, υπάρχουν αρκετά θέµατα που επιδέχονται περαιτέρω έρευνα, είτε πρόκειται για τη συµπεριφορά των υλικών, είτε για την ανάπτυξη νέων, προηγµένων υλικών που ανταποκρίνονται καλύτερα στις ανάγκες αντιµετώπισης µιας έκρηξης. 8. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] P.A. Buchan, J.F. Chen, Blast resistance of FRP composites and polymer strengthened concrete and masonry structures A state-of-the-art review, Composites: Part B 38, 2007, pp [2] Jon A. Schmidt, Structural design for external terrorist bomb attacks, STRUCTURE Magazine, March [3] Jin-Won Nam, Ho-Jin Kim, Sung-Bae Kim, Na-Hyun Yi, Jang-Ho Jay Kim, Numerical evaluation of the retrofit effectiveness for GFRP retrofitted concrete slab subjected to blast pressure, Composite Structures 92, 2010, pp [4] Ju-Hyung Ha, Na-Hyun Yi, Jong-Kwon Choi, Jang-Ho Jay Kim, Experimental study on hybrid CFRP-PU strengthening effect on RC panels under blast loading, Composite Structures 93, 2011, pp [5] Pedro F. Silva, Binggeng Lu, Improving the blast resistance capacity of RC slabs with innovative composite materials, Composites: Part B 38, 2007, pp [6] C. Wu, D.J. Oehlers, M. Rebentrost, J. Leach, A.S. Whittaker, Blast-testing of ultra-high performance fibre and FRP-retrofitted concrete slabs, Engineering Structures 31, 2009, pp [7] Larry C. Muszynski and Michael R. Purcell, Use of composite reinforcement to strengthen concrete and air-entrained concrete masonry walls against air blast, Journal Of Composites For Construction, ASCE, May 2003, pp ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

91 Σεισµική Αποτίµηση Γέφυρας Σκυροδέµατος και Ενίσχυση Βάθρων µε Μανδύα Ινοπλισµένων Πολυµερών (ΙΟΠ) ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΓΕΦΥΡΑΣ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΒΑΘΡΩΝ ΜΕ ΜΑΝ ΥΑ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΜΙΝΤΖΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΣΤΑΥΡΕΛΗ ΗΜΗΤΡΑ Περίληψη Η παρούσα εργασία έχει στόχο την σεισµική αποτίµηση γέφυρας µε τη µέθοδο της ανελαστικής στατικής ανάλυσης(push over) και την ενίσχυση των βάθρων της µε µανδύα ινοπλισµένων πολυµερών. Η εργασία περιλαµβάνει τα βήµατα που ακολουθήθηκαν για τη σεισµική αποτίµηση καθώς επίσης και τη διαδικασία για την επιλογή κατάλληλης ποσότητας µανδύα ΙΟΠ, για την ενίσχυση των βάθρων της γέφυρας. Τέλος, παρουσιάζονται η δράση των σύνθετων υλικών κατά την περίσφιγξη σκυροδέµατος όπως επίσης και τεχνικές για τη σωστή τοποθέτηση του µανδύα στις θέσεις των βάθρων. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η γέφυρα που χρησιµοποιήθηκε για τη σεισµική αποτίµηση και την ενίσχυση των βάθρων της είναι µια παραλλαγή της γέφυρας Τ6 της Εγνατίας Οδού(τµήµα Αµπέλι-Πετρίτσι, εληγιαννίδης 2005) ώστε να αντικατοπτρίζει µη σεισµικό σχεδιασµό. Πιο συγκεκριµένα θεωρήθηκε ότι ο σχεδιασµός του οπλισµού της γέφυρας έχει γίνει µε βάση παλιότερες αντιλήψεις, δηλαδή χωρίς προβλέψεις πλαστιµότητας και χωρίς ικανοτικό σχεδιασµό τέµνουσας. Το σχήµα και η γεωµετρία της γέφυρας φαίνεται παρακάτω: (i) (ii) (iii) Εικόνα 1 : (i) Γέφυρα Τ6 Εγνατίας Οδού, (ii) ιατοµή βάθρων (iii) ιατοµή φορέα καταστρώµατος στο µέσο του κεντρικού ανοίγµατος [1] Η γέφυρα αποτελείται όπως φαίνεται και από το σχήµα από δύο ανισοϋψή µεσόβαθρα, τα οποία είναι συµπαγή και κυκλικά διαµέτρου D=2.4m. Η σεισµική αποτίµηση της γέφυρας έγινε µε τη χρήση την ανελαστικής στατικής µεθόδου, η οποία θα περιγραφεί εκτενώς παρακάτω. Η θεµελιώδης σχέση για την δυσκαµψία στην µέθοδο αυτή είναι η εξής [2]: 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

92 Μίντζας Παναγιώτης, Σταυρέλη ήµητρα Η σχέση αυτή αναφέρεται στα βάθρα και στην επιλογή της κατάλληλης δυσκαµψίας γι αυτά. Γενικά ισχύει ότι ως τιµή (EI)eff πρέπει να χρησιµοποιείται η επιβατική δυσκαµψία στη διαρροή της ακραίας διατοµής ή διατοµών, όπου αναµένεται σχηµατισµός πλαστικών αρθρώσεων κατά το σεισµό σχεδιασµού: στις βάσεις των βάθρων και στις περιοχές όπου συνδέονται µε το φορέα του καταστρώµατος, για κίνηση κατά τη διαµήκη έννοια, ή µόνον στις βάσεις των βάθρων για κίνηση κατά την εγκάρσια έννοια. Όσον αφορά τη δυσκαµψία του φορέα (προεντεταµένο σκυρόδεµα), ακολουθείται διαφορετική διαδικασία. Πιο συγκεκριµένα, η δυσκαµψία καθορίζεται µέσω του διαγράµµατος ροπών-καµπυλοτήτων της διατοµής, που λαµβάνει υπ όψιν και την προµήκυνση των τενόντων. Σε ασύµµετρες διατοµές, όπως στη συγκεκριµένη περίπτωση τα κιβώτια καταστρώµατος χρησιµοποιείται η µέση τιµή των δυσκαµψιών (θετικής και αρνητικής φοράς).αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι διατοµές αυτές για κάµψη περί τον οριζόντιο άξονα έχουν ροπή ρηγµάτωσης και δυσκαµψία εξαρτώµενη απ την φορά. Παρακάτω παρουσιάζονται 2 διαγράµµατα που δείχνουν τις 2 περιπτώσεις προέντασης της διατοµής ως προς οριζόντιο και ως προς κατακόρυφο άξονα. Παρατηρούµε λοιπόν το λόγο για τον οποίο είναι σηµαντικό κυρίως στην α περίπτωση να υπολογίσουµε τον µέσο όρο των δυσκαµψιών,καθώς φαίνεται καθαρά ότι οι τένοντες δε δρουν µε τον ίδιο τρόπο σε θετική και σε αρνητική ροπή. (i) (ii) Προένταση ως προς κατακόρυφο άξονα [1] ιάγραµµα 1: i) Προένταση ως προς οριζόντιο άξονα,ii) Στη δική µας περίπτωση οι δυσκαµψίες του φορέα ελήφθησαν από τη βιβλιογραφία [1] και εισήχθησαν στο πρόγραµµα. Για την εκλογή της ποσότητας του µανδύα που χρησιµοποιήθηκε για την ενίσχυση των βάθρων στηριχθήκαµε στις θεµελιώδεις σχέσεις του Ευρωκώδικα ελέγχοντας τη στροφή θu για την επιλογή του οπλισµού ενίσχυσης σε περίσφιγξη και αντίστοιχα την τέµνουσα V για την επιλογή του οπλισµού ενίσχυσης σε διάτµηση. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

93 Σεισµική Αποτίµηση Γέφυρας Σκυροδέµατος και Ενίσχυση Βάθρων µε Μανδύα Ινοπλισµένων Πολυµερών (ΙΟΠ) Πιο συγκεκριµένα, όσον αφορά τον οπλισµό περίσφιγξης στη βάση της σχέση του Ευρωκώδικα [3]: max max Αλλά για κυκλικές διατοµές[4]: , 3 Όπου, 10 /2 min,,,, Όσον αφορά τον οπλισµό διάτµησης και πιο συγκεκριµένα την τέµνουσα αντοχής, χρησιµοποιούνται οι σχέσεις του Ευρωκώδικα [3] : ;0,55 1 0,05 5;. 0,16 0,5; ,16 5; 4 Όπου γ el ίσο µε 1,15 για πρωτεύοντα σεισµικά στοιχεία και 1,0 για δευτερεύοντα = λόγος πλαστικής γωνίας στροφής χορδής στην αστοχία προς = γεωµετρικό ποσοστό διαµήκους οπλισµού h= ύψος διατοµής(=διάµετρος D) A c = εµβαδόν πυρήνα της διατοµής (πd 2 /4) 2 η συµβολή εγκάρσιου οπλισµού c= επικάλυψη σκυροδέµατος 2. ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ Για τη σεισµική αποτίµηση της γέφυρας, όπως προαναφέρθηκε, θα χρησιµοποιηθεί η µέθοδος ανελαστικής στατικής ανάλυσης, γνωστή και ως push-over. Το φάσµα που θα χρησιµοποιηθεί είναι αυτό του ΕC8. Θεωρήθηκε ότι η περιοχή που βρίσκεται η γέφυρα βρίσκεται στην Κεφαλονιά εποµένως ανήκει στη σεισµική ζώνη ΙΙΙ. Το έδαφος θεωρείται κατηγορίας C. Χρησιµοποιήθηκε επίσης, σκυρόδεµα f cm =26 MPa, χάλυβας f ym =386 MPa. Ο οπλισµός της διατοµής του βάθρου ήταν 34Φ20(ο διαµήκης) και Φ8/30(ο εγκάρσιος). Τα φορτία σχεδιασµού και οι µάζες ελήφθησαν από τη βιβλιογραφία [1]. Οι τέµνουσες αντοχής σε κάθε διεύθυνση για αξονική δύναµη Ν=Ν G+ψQ, βρέθηκαν αντίστοιχα: 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

94 V R xx = kn και V R yy = kn Μίντζας Παναγιώτης, Σταυρέλη ήµητρα Ζώνη Σεισµικής Επικινδυνότητας ΙΙI, α=0.36 Κατηγορία σπουδαιότητας Σ3, γ Ι =1.15 Κατηγορία εδάφους Πίνακας 1 C T B =0.20, T C =0.60 Σηµαντικό βήµα για την εκτέλεση της push-over είναι ο ορισµός των hinges στα άκρα των 2 βάθρων. Τα hinges τα οποία ορίζουµε, είναι στροφικά πλαστικά ελατήρια τα οποία ενεργοποιούνται όταν διαρρεύσει η κατασκευή µας. Αµέσως µετά την ενεργοποίησή τους,η δυσκαµψία άκρου σχεδόν µηδενίζεται και έτσι δηµιουργείται µια πιο ρεαλιστική εικόνα του πώς συµπεριφέρεται η κατασκευή µας(τα δύο βάθρα), καθώς µπορεί να εκτιµηθεί το µη γραµµικό διάγραµµα τέµνουσας βάσης-µετακίνησης κορυφής. Τα δεδοµένα για τις ιδιότητες των hinges, εισήχθησαν απλοποιητικά για αξονική δύναµη Ν=Ν G+ψQ. Πριν την εκτέλεση της push-over παρουσιάζονται οι ιδιοµορφές 1 και 2 της ταλάντωσης της κατασκευής από τις οποίες προέκυψε ότι η ιδιοπερίοδος στην ιδιοµορφή 1 είναι Τ 1 =1.03 sec και η αντίστοιχη ιδιοπερίοδος στη ιδιοµορφή 2 είναι Τ 2 =0.86 sec. Σχήµα 1 :Ιδιοµορφή 1 της ταλάντωσης Σχήµα 2 : Ιδιοµορφή 2 της ταλάντωσης 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

95 Σεισµική Αποτίµηση Γέφυρας Σκυροδέµατος και Ενίσχυση Βάθρων µε Μανδύα Ινοπλισµένων Πολυµερών (ΙΟΠ) Στη συνέχεια στόχος είναι η εύρεση της απαιτούµενης σεισµικής µετακίνησης(target displacement) από το διάγραµµα Sa-Sd το οποίο είναι εξαγόµενο από το πρόγραµµα [5] µετά την εκτέλεση της push-over. Για να βρεθεί η target displacement, θα πρέπει αρχικά να διγραµµοποιηθεί η συγκεκριµένη καµπύλη και στη συνέχεια να εισαχθεί το φάσµα του Ευρωκώδικα για την κατηγορία εδάφους και τη σεισµική επιτάχυνση που επιλέξαµε[11]. Μετά τη διγραµµοποίηση, για διάγραµµα µεγάλων ιδιοπεριόδων στοχεύουµε στο φάσµα του Ευρωκώδικα και η τετµηµένη του σηµείου τοµής είναι η απαιτούµενη σεισµική µετακίνηση(target displacement). Η διαδικασία που ακολουθείται φαίνεται στο παρακάτω διάγραµµα. 1,2 Sa-Sd (x-x) Sa (m/s 2 ) 1 0,8 0,6 0,4 Sa-Sd Φάσμα Ευρωκώδικα Διγραμμοποιημένη Sa-Sd 0,2 0 target displacement 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Sd (m) ιάγραµµα 2 : ιάγραµµα Sa-Sd ως προς τη διεύθυνση x-x 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

96 Μίντζας Παναγιώτης, Σταυρέλη ήµητρα Sa-Sd (y-y) 1,2 Sa (m/s 2 ) 1 0,8 0,6 0,4 Sa-Sd Φάσμα Ευρωκώδικα Διγραμμοποιημένη Sa-Sd 0, ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Sd (m) target displacement ιάγραµµα 3: ιάγραµµα Sa-Sd ως προς τη διεύθυνση y-y Αφού λοιπόν βρεθεί η τιµή της, ελέγχεται σε ποιο βήµα της push-over επιτεύχθηκε η απαιτούµενη σεισµική µετακίνηση και σε τι στάθµη επιτελεστικότητας επιτεύχθηκε έτσι ώστε να βγάλουµε συµπέρασµα αν χρειάζεται ενίσχυση ή όχι. Βρέθηκε λοιπόν ότι στη διεύθυνση x-x η απαιτούµενη σεισµική µετακίνηση έχει τιµή m και πραγµατοποιείται στο βήµα 35 της ανάλυσης. Στο συγκεκριµένο βήµα παρατηρείται ότι τα κάτω άκρα των βάθρων υπερβαίνουν τη στάθµη Γ δηλαδή την οιονεί κατάρρευση γεγονός που µας οδηγεί στο συµπέρασµα ότι σίγουρα τα βάθρα θα χρειαστούν ενίσχυση. Σχήµα 3: ιεύθυνση x-x, Βήµα 35 ανάλυσης Αντίστοιχη διαδικασία ακολουθούµε και για τη διεύθυνση y-y και βρίσκουµε ότι η απαιτούµενη σεισµική µετακίνηση έχει τιµή m και πραγµατοποιείται στο βήµα 55 της ανάλυσης. Στο συγκεκριµένο βήµα παρατηρείται ότι και τα 2 άκρα των βάθρων υπερβαίνουν 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

97 Σεισµική Αποτίµηση Γέφυρας Σκυροδέµατος και Ενίσχυση Βάθρων µε Μανδύα Ινοπλισµένων Πολυµερών (ΙΟΠ) τη στάθµη Γ, δηλαδή την οιονεί κατάρρευση. Άρα και πάλι το συµπέρασµα είναι ότι τα βάθρα χρειάζονται ενίσχυση και ως προς αυτή τη διεύθυνση. Σχήµα 4: ιεύθυνση y-y, Βήµα 55 ανάλυσης Παρακάτω παρουσιάζεται επίσης το διάγραµµα V-δ(Τέµνουσα βάσης-μετακίνηση κορυφής) για τις 2 διευθύνσεις όπως αυτό προέκυψε από την ανάλυση καθώς επίσης και τα σηµεία που υποδεικνύουν τις στάθµες επιτελεστικότητας του ΚΑΝ.ΕΠΕ. οι οποίες είναι οι εξής [6]: p υπέρβασης σεισµ. δράσης εντός του συµβ. t ζωής Άµεση Χρήση µετά τον σεισµό Προστασία Ζωής Οιονεί Κατάρρευση 10% Α1 Β1 Γ1 50% Α2 Β2 Γ2 Πίνακας 2 Α. Άµεση χρήση µετά το σεισµό, η οποία στον Ευρωκώδικα 8 αναφέρεται και ως Damage Limitation(DL) B. Προστασία ζωής, η οποία στον Ευρωκώδικα 8 αναφέρεται και ως Significant Damage(SD) Γ. Οιονεί κατάρρευση, που στον Ευρωκώδικα 8 αναφέρεται και ως Near Collapse(NC) Η υιοθέτηση στόχου αποτίµησης ή ανασχεδιασµού µε πιθανότητα υπέρβασης της σεισµικής δράσης 50% οδηγεί εν γένει σε πιο συχνές, πιο εκτεταµένες και πιο έντονες βλάβες έναντι ενός αντίστοιχου στόχου µε πιθανότητα υπέρβασης της σεισµικής δράσης 10%. Σεισµός Σχεδιασµού 1. «ενδεχόµενος», περιόδου 225 ετών (20% πιθανότητα στα 50 έτη) 2. «σπάνιος», περιόδου 475 ετών (10% πιθανότητα στα 50 έτη), όπως ισχύει στον ΕΑΚ «εξαιρετικά σπάνιος», περιόδου 2475 ετών (2% πιθανότητα στα 50 έτη) 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

98 Μίντζας Παναγιώτης, Σταυρέλη ήµητρα V-δ (x-x) V (kn) ΑΜΕΣΗ ΧΡΗΣΗ ΜΕΤΑ ΤΟ ΣΕΙΣΜΟ (DL) ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΖΩΗΣ (SD) ΟΙΟΝΕΙ ΚΑΤΑΡΡΕΥΣΗ (NC) ,14-0,12-0,10-0,08-0,06-0,04-0,02 0,00 δ(m) ιάγραµµα 3: Τέµνουσα βάσης-μετακίνηση κορυφής ως προς τη διεύθυνση x-x V (kn) Διάγραμμα V-δ (y-y) ΑΜΕΣΗ ΧΡΗΣΗ ΜΕΤΑ ΤΟ ΣΕΙΣΜΟ (DL) ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΖΩΗΣ (SD) ΟΙΟΝΕΙ ΚΑΤΑΡΡΕΥΣΗ (NC) 0-0,30-0,25-0,20-0,15-0,10-0,05 0,00 ιάγραµµα 4 : Τέµνουσα βάσης-μετακίνηση κορυφής ως προς τη διεύθυνση y-y Εποµένως,εκτός των άλλων, η µέθοδος αυτή µας δίνει ένα καλό συµπέρασµα όσον αφορά την απόκριση της κατασκευής µας, και συγκεκριµένα των βάθρων της γέφυρας, σε σχέση µε τις διάφορες στάθµες επιτελεστικότητας που στον ΚΑΝ.ΕΠΕ. αποτελούν το σηµαντικότερο µέσο αποτίµησης και κατά συνέπεια ενίσχυσης καθώς είναι αυτές που καθορίζουν το επίπεδο βλαβών της κατασκευής που κάθε φορά εξετάζουµε. Μετά την εκτέλεση της push-over η τέµνουσα αντοχής V R και στις 2 διευθύνσεις µειώνεται λόγω της αύξησης του δείκτη πλαστιµότητας µ θ και λόγω της µείωσης του λόγου δ(m) 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

99 Σεισµική Αποτίµηση Γέφυρας Σκυροδέµατος και Ενίσχυση Βάθρων µε Μανδύα Ινοπλισµένων Πολυµερών (ΙΟΠ) L s /D. Εποµένως οι αρχικές τιµές των V Rxx και V Ryy µειώνονται και πλέον τις µειωµένες αυτές τιµές χρησιµοποιούµε για να συγκρίνουµε µε τις τέµνουσες της ανάλυσης V sd. Συνοψίζοντας τα παραπάνω, καταλήγουµε στα εξής συµπεράσµατα : Κατά τη διεύθυνση x-x η στοχευόµενη µετακίνηση βρέθηκε m και πραγµατοποιήθηκε στο Βήµα 35 της ανάλυσης. Στο βήµα αυτό υπερβαίνουµε την οιονεί κατάρρευση(στάθµη Γ) εποµένως χρειάζεται ενίσχυση. Επίσης, κατά τη διεύθυνση αυτή βρέθηκε ότι η τέµνουσα σχεδιασµού µετά την εκτέλεση της push-over ήταν V sd = kn για το αριστερό βάθρο και V sd = kn για το δεξί βάθρο. Εποµένως παρατηρείται ότι στο δεξί βάθρο η τέµνουσα ξεπέρασε την αρχική αντοχή πριν την εκτέλεση της push-over. ηλαδή, V sd = kn > V R.Εποµένως υπάρχει απαίτηση ενίσχυσης και ως προς τέµνουσα. Κατά τη διεύθυνση y-y η στοχευόµενη µετακίνηση βρέθηκε m και πραγµατοποιήθηκε στο Βήµα 55 της ανάλυσης. Στο βήµα αυτό υπερβαίνουµε και πάλι την οιονεί κατάρρευση(στάθµη Γ) εποµένως χρειάζεται ενίσχυση. Επίσης, κατά τη διεύθυνση αυτή βρέθηκε ότι η τέµνουσα σχεδιασµού µετά την εκτέλεση της push-over ήταν V sd = kn για το αριστερό βάθρο και V sd = kn για το δεξί βάθρο. Εποµένως παρατηρώ ότι κατά τη διεύθυνση αυτή δεν απαιτείται ενίσχυση ως προς τέµνουσα καθώς V sd = kn < V R. 3. ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΒΑΘΡΩΝ Για την επιλογή της ποσότητας του µανδύα CFRP που θα καλύψει τις απαιτήσεις που προέκυψαν από την αποτίµηση ακολουθείται η παρακάτω διαδικασία. Αρχικά µέσω του προγράµµατος, βρίσκουµε το διάγραµµα ροπών-στροφών (Μ-θ pl ) στο οποίο αναφέρονται και οι στάθµες επιτελεστικότητας.έχουµε,λοιπόν τα εξής διαγράµµατα: Διάγραμμα M-θpl(x-x) M (knm) ΑΜΕΣΗ ΧΡΗΣΗ ΜΕΤΑ ΤΟ ΣΕΙΣΜΟ (DL) ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΖΩΗΣ (SD) ΟΙΟΝΕΙ ΚΑΤΑΡΡΕΥΣΗ (NC) ,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 θpl (rad) ιάγραµµα 5 : ιάγραµµα ροπών-στροφών ως προς τη διεύθυνση x-x 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

100 Μίντζας Παναγιώτης, Σταυρέλη ήµητρα M (knm) 2,00E+08 1,80E+08 1,60E+08 1,40E+08 1,20E+08 1,00E+08 8,00E+07 6,00E+07 4,00E+07 2,00E+07 0,00E+00 Διάγραμμα Μ-θpl(y-y) ΑΜΕΣΗ ΧΡΗΣΗ ΜΕΤΑ ΤΟ ΣΕΙΣΜΟ (DL) ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΖΩΗΣ (SD) ΟΙΟΝΕΙ ΚΑΤΑΡΡΕΥΣΗ (NC) 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 θpl (rad) ιάγραµµα 6 : ιάγραµµα ροπών-στροφών ως προς τη διεύθυνση y-y Από τα διαγράµµατα αυτά, λοιπόν, βρίσκουµε τα θ pl που χρειαζόµαστε και µε τους παρακάτω τύπους θα βρούµε τις καµπυλότητες φ που είναι απαραίτητες για να βρούµε τις στρώσεις του CFRP. Πιο συγκεκριµένα, όσον αφορά τον οπλισµό κάµψης στηριχθήκαµε στη σχέση του Ευρωκώδικα [3] : max max Επειδή, όµως πρόκειται για κυκλική διατοµή, και ο Ευρωκώδικας δεν εµπεριέχει σχέσεις για τέτοιου είδους διατοµές θα χρησιµοποιηθούν οι παρακάτω εµπειρικές σχέσεις που αναφέρονται σε κυκλική διατοµή [4]: , 3 Όπου, 10 /2 min,,,, Από τις σχέσεις αυτές και µε δεδοµένο από το διάγραµµα το θpl και το θy του βάθρου το οποίο επίσης θεωρείται δεδοµένο από το πρόγραµµα, καταλήγουµε µέσω των σχέσεων αυτών στα παρακάτω φ : 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

101 Σεισµική Αποτίµηση Γέφυρας Σκυροδέµατος και Ενίσχυση Βάθρων µε Μανδύα Ινοπλισµένων Πολυµερών (ΙΟΠ) Βάθρο ιεύθυνση Αριστερό Βάθρο εξί Βάθρο x-x φ= φ= y-y φ= φ= Πίνακας 3 Όσον αφορά τώρα την απαίτηση σε τέµνουσα στηριζόµαστε στη σχέση του Ευρωκώδικα [3]: ;0,55 1 0,05 5;. 0,16 0,5; ,16 5; 4 Όπου γ el ίσο µε 1,15 για πρωτεύοντα σεισµικά στοιχεία και 1,0 για δευτερεύοντα = λόγος πλαστικής γωνίας στροφής χορδής στην αστοχία προς θ y = γεωµετρικό ποσοστό διαµήκους οπλισµού h= ύψος διατοµής(=διάµετρος D) A c = εµβαδόν πυρήνα της διατοµής (πd 2 /4) 2 η συµβολή εγκάρσιου οπλισµού c= επικάλυψη σκυροδέµατος Από τον τύπο αυτό αλλά και από το ίδιο το πρόγραµµα, βρίσκουµε ότι η µέγιστη τελική τέµνουσα µετά την εκτέλεση της push-over είναι V sd = kn στη διεύθυνση x-x και V sd = kn στη διεύθυνση y-y. Όπως αναφέρθηκε και στο κοµµάτι της αποτίµησης έχοντας σαν δεδοµένο τις τέµνουσες αντοχής µετά την εκτέλεση της push-over, καταλήγουµε στο συµπέρασµα ότι κατά τη διεύθυνση x-x θα υπολογίσουµε οπλισµό ενίσχυσης σε τέµνουσα(v sd = kn > V R ) ενώ κατά τη διεύθυνση y-y δεν απαιτείται τέτοιου είδους οπλισµός(v sd = kn < V R ). Αφού λοιπόν υπολογίστηκαν οι καµπυλότητες φ και οι τέµνουσες V sd πριν την ενίσχυση µε µανδύα CFRP,πρέπει να βρούµε και τις αντίστοιχες καµπυλότητες φ και τέµνουσες V R για κάθε βάθρο µετά την επιλογή κατάλληλης ποσότητας οπλισµού ενίσχυσης. Για το σκοπό αυτό θα χρησιµοποιήσουµε τις σχέσεις [3]: ;0,55 1 0,05 5;. 0,16 0,5; ,16 5;, 5, 0,9., ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

102 Μίντζας Παναγιώτης, Σταυρέλη ήµητρα Όπου d είναι το ενεργό πλάτος, θ η γωνία κλίσης γονάτου,, η ενεργή δύναµη αποκόλλησης για στοιχείο πλήρως τυλιγµένο µε FRP, t f το πάχος της στρώσης του µανδύα, β η γωνία µεταξύ της ισχυρής διεύθυνσης της στρώσης του µανδύα και του άξονα του στοιχείου, 0,9,. / (πλάτος στρώσης µανδύα) και s f το διάκενο των στρώσεων FRP µετρούµενο κάθετα στην ισχυρή διεύθυνση του µανδύα. Καθώς επίσης και τον τύπο[3]: f 0,4 I f ε, ε 7 Όπου, f c η αντοχή του σκυροδέµατος, e cu η παραµόρφωση θραύσης σκυροδέµατος και e ju η θεωρούµενη παραµόρφωση θραύσης του µανδύα FRP. Για την ειδική περίπτωση της κυκλικής διατοµής που εξετάζουµε εµείς, η ένταση περίσφιγξης που εφαρµόζει ο µανδύας FRP στη διατοµή (f 1 ) είναι f ε όπου Ε f το µέτρο ελαστικότητας του µανδύα FRP και 4 / [3]. Η µέγιστη τάση του FRP υπολογίζεται από τη σχέση[3]:,,,, 1 0,7,,, 8 µε, και να είναι η αντοχή και το µέτρο ελαστικότητας του FRP και, οριακή παραµόρφωση ίση µε 0,015 για CFRP (carbon-fibre-reinforced polymer). Επόµενο βήµα είναι ο υπολογισµός της θλιπτικής τάσης και της παραµόρφωσης για σκυρόδεµα περισφιγµένο µε µανδύα σύνθετων υλικών. Όπως διακρίνουµε και από το διάγραµµα 7 έχουµε δεδοµένο το διάγραµµα θλιπτικής τάσης-παραµόρφωσης για το απερίσφιγκτο σκυρόδεµα, και στόχος µας είναι να βρούµε την καµπύλη που αντιστοιχεί στο περισφιγµένο υλικό και το οποίο στη συνέχεια θα µας οδηγήσει στην εύρεση της τελικής καµπυλότητας φ µετά την τοποθέτηση του CFRP. ιάγραµµα 7 : Καµπύλες θλιπτικής τάσης- παραµόρφωσης για σκυρόδεµα περισφιγµένο µε σύνθετα υλικά[7] 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

103 Σεισµική Αποτίµηση Γέφυρας Σκυροδέµατος και Ενίσχυση Βάθρων µε Μανδύα Ινοπλισµένων Πολυµερών (ΙΟΠ) Χρησιµοποιούµε, λοιπόν, τις παρακάτω σχέσεις οι οποίες θα µας οδηγήσουν στο επιθυµητό αποτέλεσµα και οι οποίες είναι [7]:, ,,,,, 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος , , , 2, , 14, 2 15 Στις παραπάνω σχέσεις E c = αρχικό µέτρο ελαστικότητας του σκυροδέµατος και α f = συντελεστής αποδοτικότητας του µανδύα, που εξαρτάται: (α) από τη γεωµετρία της διατοµής (λόγος πλευρών, ακτίνα καµπυλότητας στις γωνίες), (β) από το βαθµό περιτύλιξης (κάλυψης) του σκυροδέµατος και (γ) από τη διεύθυνση των ινών σε σχέση µε τον άξονα του περισφιγµένου µέλους. Συγκεκριµένα, είναι [7]: 1 16 Συντελεστής διατοµής: 1 1 Συντελεστής κάλυψης: Συντελεστής διέυθυνσης: 1 όπου A g = εµβαδόν διατοµής, A s = εµβαδόν διατοµής διαµήκους οπλισµού, s f = καθαρή απόσταση λωρίδων σε περίπτωση µερικής περιτύλιξης,d = µήκος µικρότερης πλευράς (ή διάµετρος, στην περίπτωση κυκλικής διατοµής), β f = γωνία ινών ως προς την κάθετο στον άξονα του µέλους. Για κυκλικές διατοµές α n =1, για πλήρη κάλυψη του στοιχείου α s =1 και για οριζόντια διάταξη των ινών α a =1,το οποίο ισχύει και στη δική µας περίπτωση. Τελικά, επιλέγουµε οπλισµό CFRP και στα 2 βάθρα καθ όλο το ύψος τους µε τα παρακάτω χαρακτηριστικά :

104 Μίντζας Παναγιώτης, Σταυρέλη ήµητρα Στρώσεις 1 t (mm) E(MPa) fu (MPa) 3500 Πίνακας 4 Φτάνουµε στο συµπέρασµα, λοιπόν, ότι το νέο διάγραµµα ροπών καµπυλοτήτων(μ-φ), το οποίο προήλθε από τη νέα σχέση σ-ε για σκυρόδεµα περισφιγµένο µε µανδύα CFRP µετά την ενίσχυση,εµφανίζει σαν καµπυλότητα φ=0.029( ιάγραµµα 8(ii)).Εποµένως η καµπυλότητα αυτή καλύπτει τις απαιτήσεις που αρχικά είχαν υπολογιστεί και στα 2 βάθρα και τις οποίες αναφέραµε στον Πίνακα 4. (i) (ii) ιάγραµµα 8 : Ροπή M yy -καµπυλότητα φ (i)πριν την ενίσχυση,(ii) µετά την ενίσχυση[9] Όσον αφορά τις τέµνουσες, µετά την ενίσχυση µε CFRP το αποτέλεσµα έχει ως εξής: Στη διεύθυνση x-x η τέµνουσα παίρνει την τιµή V R =7505,3>V sd. Στη διεύθυνση y-y η τέµνουσα παίρνει την τιµή V R =4289,8>V sd. Σ αυτή τη διεύθυνση έγινε τυπικά ο έλεγχος αν και είχαµε καταλήξει στο συµπέρασµα ότι δεν χρειάζεται ενίσχυση σε τέµνουσα. Τελικά, συµπεραίνουµε πως και ως προς τη στροφή χορδής αλλά και ως προς διάτµηση, η ενίσχυση που επιλέξαµε καλύπτει τις απαιτήσεις µας. 4. ΡΑΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΠΕΡΙΣΦΙΓΞΗ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ [8] Ο λόγος που επιλέξαµε να τοποθετήσουµε CFRP ως ενίσχυση στα βάθρα της γέφυρας που µελετήσαµε είναι η συµβολή της περίσφιγξης του σκυροδέµατος στις κατασκευές. Ειδικότερα, µε τη συµβολή της περίσφιγξης στο σκυρόδεµα, αξιοποιείται η δράση της τριαξονικής θλίψης. Ως εκ τούτου, επιτυγχάνεται ιδιαίτερα σηµαντική αύξηση της πλαστιµότητας του στοιχείου ενώ συγχρόνως αυξάνεται και η θλιπτική του αντοχή. Πιο συγκεκριµένα, κατά την αξονική καταπόνηση υποστηλωµάτων, το σκυρόδεµα διογκώνεται εγκάρσια, µε αποτέλεσµα ο µανδύας σύνθετων υλικών που το περιβάλλει να ενεργοποιείται (µέσω της ανάπτυξης εφελκυστικών παραµορφώσεων στις ίνες), επιβάλλοντας έτσι 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

105 Σεισµική Αποτίµηση Γέφυρας Σκυροδέµατος και Ενίσχυση Βάθρων µε Μανδύα Ινοπλισµένων Πολυµερών (ΙΟΠ) εγκάρσιες θλιπτικές τάσεις (περίσφιγξης) κάθετα στον άξονα του µέλους µέχρις ότου αστοχήσει. Οι τάσεις περίσφιγξης έχουν σαν αποτέλεσµα : 1. Αύξηση της θλιπτικής αντοχής και της παραµορφωσιµότητας (δηλαδή της οριακής παραµόρφωσης) του σκυροδέµατος. 2. Αύξηση της γωνίας στροφής χορδής ενός µέλους στην (καµπτική) αστοχία, δηλαδή αύξηση της πλαστιµότητας. 3. Βελτίωση των συνθηκών συνάφειας µεταξύ ράβδων οπλισµού και σκυροδέµατος σε περιοχές µε µατίσεις και άρα παρεµπόδιση της ολίσθησης των διαµήκων ράβδων στις περιοχές αυτές. 4. Καθυστέρηση της εµφάνισης λυγισµού των διαµήκων ράβδων σε περιοχές µε αραιή διάταξη συνδετήρων. Αυτός,λοιπόν, είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους η εφαρµογή της τεχνικής αυτής εξαπλώνεται ραγδαία στην πράξη. 5. ΤΕΧΝΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ [10] Η πιο αποτελεσµατική τεχνική εφαρµογής µανδυών ΙΟΠ που χρησιµοποιείται σε σεισµικές ενισχύσεις κατασκευών είναι το «τύλιγµα» του µανδύα (wrap method) γύρω από το υποστύλωµα που χρειάζεται ενίσχυση. Αποτελείται από στρώσεις µανδύα ΙΟΠ που έχουν προηγουµένως εµποτισθεί µε ειδική ρητίνη. Οι ίνες της κάθε στρώσης έχουν τη δυνατότητα να τοποθετηθούν σε κάθε διεύθυνση, αλλά και έµµεσα σε πολλαπλές διευθύνσεις αλλάζοντας τον προσανατολισµό της κάθε στρώσης ώστε να προστατεύεται το υποστύλωµα από ανακυκλιζόµενη σεισµική φόρτιση. Αναλυτικότερα, οι ίνες της πρώτης στρώσης του µανδύα ΙΟΠ είναι προσανατολισµένες σε γωνία 0 µοιρών, στη δεύτερη στρώση σε γωνία 60 µοιρών και στην τρίτη σε γωνία 120 µοιρών. Το µοτίβο 0/60/120 επαναλαµβάνεται µέχρι να επιτευχθεί το απαιτούµενο πάχος t του µανδύα, όπως αυτό υπολογίσθηκε από την ανάλυση. Στην περίπτωσή µας, τα βάθρα ενισχύθηκαν καθ όλο το ύψος τους µε µία στρώση, ώστε να αποφευχθεί η µετατόπιση της έντασης σε µη-ενισχυµένες περιοχές. Σηµαντικά πλεονεκτήµατα της µεθόδου έναντι άλλων είναι τα εξής δύο: 1) λόγω της περιµετρικής εφαρµογής του µανδύα δεν υπάρχουν σηµεία στα οποία µπορεί να γίνει αποκόλληση λόγω σεισµού, όπως συµβαίνει στην περίπτωση των µεταλλικών ελασµάτων και 2) η ευκολία και ταχύτητα εφαρµογής της. Όσον αφορά τα βάθρα γεφυρών, έχει αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια στις ΗΠΑ και στη συνέχεια στον υπόλοιπο κόσµο µια αυτοµατοποιηµένη και γρήγορη τεχνική, τηρώντας ταυτόχρονα τα θεσµοθετηµένα ποιοτικά στάνταρντς. Συγκεκριµένα, η ενίσχυση σε υποστυλώµατα/βάθρα γεφυρών µε αυτή τη µέθοδο γίνεται σε τρία βήµατα: 1) Προετοιµασία βάθρου: Καθαρίζονται καταρχήν τα βάθρα στα σηµεία που θα εφαρµοσθεί ο µανδύας ΙΟΠ από τη σκόνη και τυχόν άλλους ρύπους. Στη συνέχεια, εξοµαλύνεται όλη η επιφάνεια καθώς είναι σηµαντικό να µην υπάρχουν εξογκώµατα και κοιλότητες, µε αποτέλεσµα την καλή εφαρµογή του µανδύα. 2) Τοποθέτηση µανδύα ΙΟΠ: Περιλαµβάνει την εγκατάσταση και τον προγραµµατισµό του ειδικού µηχανήµατος και την επικόλληση του FRP.Αποτελείται από µια βάση που εγκαθίσταται περιµετρικά του βάθρου και µία κεφαλή, η οποία στηρίζεται πάνω σ αυτή και µετακινείται καθ ύψος και γύρω από το βάθρο τυλίγοντας το µανδύα µέχρι να επιτευχθεί το κατάλληλο πάχος t, όπως υπολογίσαµε από την ανάλυση. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

106 Μίντζας Παναγιώτης, Σταυρέλη ήµητρα 3) Αποτίµηση: Χρησιµοποιώντας θερµικές µεθόδους και κυκλικά πάνελ που περιβάλλουν το βάθρο µετράται το πάχος του FRP, σε όποιο σηµείο θελήσουµε, ώστε να εξασφαλισθεί η ποιοτική κατασκευή. Η µέθοδος αυτή (Robo-Warper/ US Patent) είναι παράδειγµα ποιότητας στη σεισµική ενίσχυση κατασκευών, καθώς εξαλείφεται η πιθανότητα λάθους από ανθρώπινο παράγοντα αλλά και ταχύτητας. Ενδεικτικά, µπορούµε να ενισχύσουµε δύο βάθρα ύψους 7 µέτρων µόνο σε µία ηµέρα (εγκατάσταση εξοπλισµού, επικόλληση µανδύα, αποσυναρµολόγηση και αποµάκρυνση εξοπλισµού από το εργοτάξιο.) έναντι περίπου 3 ηµερών που θα χρειαζόµασταν αν επιλέγαµε ενίσχυση µε µανδύες οπλισµένου σκυροδέµατος. Αποδεικνύεται έτσι, πόσο γρήγορη, αποτελεσµατική και οικονοµική µπορεί να είναι η ενίσχυση µε FRP. Εικόνα 2: Ενίσχυση µε Robo-Warper 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Βασίλειος Γ. Μπαρδάκης, Αντισεισµικός Σχεδιασµός Γεφυρών σκυροδέµατος µε βάση τις µετακινήσεις, ιαδακτορική ιατριβή, Πάτρα 2007 [2] European Committee for Standardisation (CEN), European (draft) Standard EN : Eurocode 8 design of structures for earthquake resistance-part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings: CEN; 2001 [3] The European Standard EN :2005: Eurocode 8 design of structures for earthquake resistance-part 3: assessment and retrofitting of buildings. [4] ιονύσιος Ε. Μπισκίνης, Αντοχή και ικανότητα παραµόρφωσης µελών οπλισµένου σκυροδέµατος, µε ή χωρίς ενίσχυση, ιδακτορική ιατριβή, Πάτρα 2007 [5] SAP 2000 Version [6] Ο.Α.Σ.Π., Οµάδα Μελέτης για τη σύνταξη Κανονισµού Επεµβάσεων σε κτίρια από οπλισµένο σκυρόδεµα,οµάδα εναρµόνισης του ΚΑΝ.ΕΠΕ. µε τους Ευρωκώδικες, Κανονισµός Επεµβάσεων (ΚΑΝ.ΕΠΕ.), Τελικό Εναρµονισµένο Κείµενο [7] Αθανάσιος Χ. Τριανταφύλλου, Ενισχύσεις κατασκευών σκυροδέµατος και τοιχοποιίας µε σύνθετα υλικά, Κεφάλαιο 6, Περίσφιγξη σκυροδέµατος [8] Στέφανος Η. ρίτσος, Ενισχύσεις- Επισκευές Κατασκευών Οπλισµένου Σκυροδέµατος, Πάτρα 2011 [9] ANSRuop, module M-φ [10] Poveromo Scott, The Use of Fiber Reinforced Polymer Composites to Retrofit Reinforced Concrete Bridge Columns, 2003 [11] Γεώργιος Παναγόπουλος, Ανδρέας Ι. Κάππος, ιγραµµική προσέγγιση διαγραµµάτων µεγεθών δυνάµεων -παραµορφώσεων, 16 ο Συνέδριο Σκυροδέµατος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/2009, Πάφος, Κύπρος 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

107 Η Χρήση των Μεταλλικών ικτυωτών Συνδέσµων στην Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών Ο/Σ Η ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΙΚΤΥΩΤΩΝ ΣΥΝ ΕΣΜΩΝ ΣΤΗΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Ο/Σ ΠΕΤΡΟΠΟΥΛΟΣ ΑΛΕΞΑΝ ΡΟΣ Περίληψη Στην παρούσα εργασία επιχειρείται να γίνει µια περιγραφή της µεθόδου ενίσχυσης υφιστάµενων κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος µε την χρήση µεταλλικών δικτυωτών συνδέσµων. Αρχικά αναφέρονται οι διάφοροι τρόποι δικτύωσης και γίνεται µια αξιολόγηση αυτών. Στην συνέχεια παρατίθενται οι τρόποι µε τους οποίους µπορεί να επιτευχθεί η σύνδεση των δικτυωµάτων στο αρχικό πλαίσιο οπλισµένου σκυροδέµατος. Τέλος µετά από µια αναφορά στους πιθανούς τρόπους αστοχίας αυτής της µεθόδου ενίσχυσης, εξάγονται κάποια συµπεράσµατα και αναφέρονται κάποιοι βασικοί προβληµατισµοί σχετικά µε τον σχεδιασµό και την κατασκευαστική διαµόρφωση των µεταλλικών δικτυωτών συνδέσµων. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στον Ελλαδικό χώρο υπάρχει ένας µεγάλος αριθµός κτιρίων οπλισµένου σκυροδέµατος που έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί µε ανεπαρκείς αντισεισµικούς κανονισµούς. Εποµένως είναι επιτακτική η ανάγκη ενίσχυσης και επισκευής τους έναντι του σεισµού. Μια ευρέως διαδεδοµένη µέθοδος ενίσχυσης πλαισιωτών φορέων οπλισµένου σκυροδέµατος είναι η χρήση µεταλλικών δικτυωτών συνδέσµων. Παραδοσιακά η χρήση των µεταλλικών συνδέσµων γίνεται σε µεταλλικές πλαισιωτές κατασκευές για την ανάληψη των σεισµικών φορτίσεων. Η χρήση, όµως, των συνδέσµων για την ενίσχυση πλαισιωτών φορέων οπλισµένου σκυροδέµατος ξεκίνησε στην Ιαπωνία και στις ΗΠΑ, µέσα από πληθώρα θεωρητικών και πειραµατικών διερευνήσεων, µε σκοπό την αύξηση της δυσκαµψίας και της αντοχής τους. Με την προσθήκη των µεταλλικών δικτυωµάτων οι πλευρικές σεισµικές δυνάµεις που αναπτύσσονται στον πλαισιακό φορέα παραλαµβάνονται από τους συνδέσµους, κυρίως µέσω αξονικών δυνάµεων. Έτσι επιτυγχάνεται αύξηση της δυσκαµψίας και απορρόφηση της σεισµικής ενέργειας λόγω της ανελαστικής καταπόνησης των χαλύβδινων µελών, όπου η σεισµική δράση προκαλεί αξονικό εφελκυσµό. 2. ΜΕΘΟ ΟΙ ΙΚΤΥΩΣΗΣ ΣΕ ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΟ ΦΟΡΕΑ Οι µεταλλικοί σύνδεσµοι διακρίνονται σε δύο γενικές κατηγορίες ανάλογα µε την θέση τους πάνω στον υφιστάµενο φορέα. Έτσι µπορούµε να τους κατηγοριοποιήσουµε ως εξής: στους εσωτερικούς, όπου τοποθετούνται ανάµεσα στα υποστυλώµατα και τις δοκούς των πλαισίων στους εξωτερικούς, όπου τοποθετούνται στην εξωτερική πλευρά των φατνωµάτων είτε ως ένα γενικό σύστηµα είτε τοπικά σε συγκεκριµένα φατνώµατα. 3. ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΙ ΡΑΒ ΟΙ ΙΚΤΥΩΣΗΣ Ανάλογα µε το αν η σύνδεση ενός τουλάχιστον άκρου µιας ράβδου δικτύωσης µε τη δοκό γίνεται µε εκκεντρότητα ή χωρίς, ως προς τον γειτονικό κόµβο υποστυλώµατος-δοκού ή άλλης ράβδου δικτύωσης-δοκού διακρίνουµε τους µεταλλικούς δικτυωτούς συνδέσµους σε: α) κεντρικούς και β) έκκεντρους [2]. ύο από τις πιο συνηθισµένες διατάξεις κεντρικών ράβδων δικτύωσης είναι λοξά στοιχεία από χάλυβα κατά τη µία (απλή διαγώνιος /) ή κατά τις δύο διαγώνιες (Χ-ιαστί) ενός φατνώµατος. Οι διαγώνιοι αντίθετης δράσης στους Χ-ιαστί συνδέσµους βρίσκονται στο ίδιο φάτνωµα, ενώ για την περίπτωση των απλών σε διαφορετικό. Επειδή η σεισµική φόρτιση έχει τυχαία κατεύθυνση και λόγω του τρόπου λειτουργίας των συνδέσµων, οι διαγώνιοι 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

108 Πετρόπουλος Αλέξανδρος δέχονται εναλλάξ εφελκύστηκες και θλιπτικές δυνάµεις. Από πειράµατα που έχουν πραγµατοποιηθεί κατά το παρελθόν έχει αποδειχθεί ότι το µεγαλύτερο µέρος της πλευρικής δύναµης, σε ένα πλαίσιο ενισχυµένο µε Χ-ιαστί συνδέσµους, το παραλαµβάνει το Σχήµα 1: ιαγώνιοι ράβδοι δικτυώσεως κατά την µία και κατά τις δύο διαγώνιες αντίστοιχα [3] εφελκυόµενο µέλος. Επιπλέον µόλις το µέλος αυτό αστοχήσει όλη την επιπλέον δύναµη καλείται να την παραλάβει το θλιβόµενο µέλος. Αποτέλεσµα αυτού είναι, στην συνέχεια, το θλιβόµενο µέλος να αστοχεί σε λυγισµό [1]. Γι αυτόν τον λόγο και οι κανονισµοί θεωρούν ότι η κατανάλωση ενέργειας γίνεται σ εκείνα τα µέλη όπου η σεισµική δράση προκαλεί (σχεδόν αποκλειστικά) αξονικό εφελκυσµό [2]. Μια σύγκριση των δύο παραπάνω διατάξεων έδειξε ότι πλαίσια µε απλή διαγώνιο αύξησαν την διατµητική αντοχή των αρχικών πλαισίων κατά 2.5 φορές, ενώ πλαίσια µε Χ-ιαστί δικτύωµα αύξησαν την διατµητική αντοχή των αρχικών πλαισίων κατά 4 φορές.[1] Μια άλλη διάταξη δικτυωτών συνδέσµων, χωρίς εκκεντρότητα, είναι αυτή της µορφής Λ ή ανεστραµµένου Λ, όπου δύο άκρα τους συντρέχουν σε ένα κοινό σηµείο των οριζόντιων µελών του πλαισίου. Αυτή η σύνδεση µε τα οριζόντια µέλη του πλαισίου, δεν θεωρείται ότι αποτελεί ενδιάµεση στήριξη και εποµένως, τα διαγώνια µέλη, δεν συµµετέχουν στην ανάληψη κατακόρυφων δράσεων [2]. Επιπλέον σε σχέση µε τις δύο προηγούµενες διατάξεις, εδώ οι σεισµικές δυνάµεις παραλαµβάνονται τόσο από τις εφελκυόµενες όσο και από τις θλιβόµενες διαγώνιους. Σχήµα 2: ικτυωτός σύνδεσµος µορφής ανεστραµµένου Λ [6] Η χρήση δικτυώσεων της µορφής Κ, όπου δύο άκρα των διαγωνίων συντρέχουν σε υποστύλωµα, γενικώς απαγορεύεται για τις επεµβάσεις σε υφιστάµενα κτίρια [2]. Αυτό δικαιολογείται από το γεγονός ότι κατά την διάρκεια του σεισµού, η διάταξη αυτή, επιφέρει επιπλέον φορτία στο µέσον του υποστυλώµατος και το αναγκάζει να συµµετέχει στην 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

109 Η Χρήση των Μεταλλικών ικτυωτών Συνδέσµων στην Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών Ο/Σ ανάληψη σεισµικών δράσεων µε αποτελέσµατα που δεν έχουν προβλεφθεί από τον ικανοτικό σχεδιασµό του κτιρίου. Στο παρακάτω σχήµα παρατηρούµε τον µηχανισµό αστοχίας αυτής της διάταξης. Μια σηµαντική παρατήρηση που µπορούµε να κάνουµε είναι ότι στον µηχανισµό κατανάλωσης ενέργειας δεν συµµετέχει καθόλου η δοκός του πλαισίου ή εφελκυόµενη ράβδος, όπως θα έπρεπε µε βάση τον ικανοτικό σχεδιασµό. Αντίθετα στο σηµείο σύνδεσης των διαγωνίων µε το υποστύλωµα προκαλείται πλαστική άρθρωση[5]. Σχήµα 3: Μηχανισµός αστοχίας πλαισίου µε διάταξη δικτύωσης Κ [5] Οι έκκεντροι δικτυωτοί σύνδεσµοι απαντώνται µε διάφορες διατάξεις όπως: έκκεντροι απλής διαγωνίου, έκκεντροι τύπου Λ ή ανεστραµµένου Λ και έκκεντροι τύπου Υ ή ανεστραµµένου Υ. Σχήµα 4: Έκκεντρος δικτυωτός σύνδεσµος τύπου Λ [3] Το τµήµα της δοκού µεταξύ των κόµβων Α και Β (Σχήµα 4) ονοµάζεται δοκός σύζευξης. Κατά την διάρκεια µίας σεισµικής διέγερσης οι δυνάµεις µεταφέρονται στα µέλη του δικτυωτού συνδέσµου µέσω διατµητικών και καµπτικών δυνάµεων που αναπτύσσονται στην δοκό σύζευξης. Λόγω αυτών των δράσεων η δοκός σύζευξης καταπονείται έντονα σε διάτµηση και σε κάµψη, το µέγεθος των οποίων εξαρτάται από τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά του συνδέσµου, και καταναλίσκει σηµαντική ποσότητα ενέργειας, γι αυτό ο σχεδιασµός της γίνεται µε αυξηµένες απαιτήσεις πλαστιµότητας. Η λειτουργία αυτή της δοκού σύζευξης βοηθάει και στην αποτροπή του λυγισµού των ράβδων του δικτυωτού συνδέσµου.[4,7] Στον έκκεντρο δικτυωτό σύνδεσµο της µορφής Υ ή ανεστραµµένου Υ τα λοξά µέλη συνδέονται µε κατακόρυφο σκέλος το οποίο καταλήγει σε ενδιάµεσο στοιχείο της δοκού. Στην περίπτωση αυτή η ανάληψη των σεισµικών δράσεων και η αντίστοιχη κατανάλωση ενέργειας γίνεται σχεδόν εξ ολοκλήρου από το κατακόρυφο µεταλλικό σκέλος, και για τον λόγο αυτό ονοµάζεται σεισµικός σύνδεσµος[4]. Ο τρόπος λειτουργίας του σεισµικού συνδέσµου κατά την διαρροή φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

110 Πετρόπουλος Αλέξανδρος Σχήµα 5: Μηχανισµός αστοχίας: ο σεισµικός σύνδεσµος βρίσκεται σε διαρροή [7] Από τους συγκεκριµένους δικτυωτούς συνδέσµους αυτός που χρησιµοποιείται στην ενίσχυση υφιστάµενων κατασκευών είναι κυρίως ο τελευταίος. Η χρήση του έχει κυριαρχήσει γιατί δεν είναι πάντα επαρκής η πλαστιµότητα των δοκών του πλαισίου ώστε να λειτουργήσει ικανοποιητικά σαν δοκός σύζευξης.[7] Συµπερασµατικά οι κεντρικοί µεταλλικοί δικτυωτοί σύνδεσµοι προσφέρουν µεγάλη δυσκαµψία και αντοχή στο πλαίσιο, αλλά η απορρόφηση ενέργειας είναι µικρότερη σε σχέση µε τους έκκεντρους. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στην πρώτη περίπτωση ο λυγισµός του διαγώνιου µέλους δεν επιτρέπει την ανάπτυξη µεγάλων παραµορφώσεων, ενώ στην δεύτερη περίπτωση αυτό επιτυγχάνεται χάρη στη λειτουργία του σεισµικού συνδέσµου [10]. 4. ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΙ ΡΑΒ ΟΙ ΙΚΤΥΩΣΗΣ - ΤΡΟΠΟΣ ΣΥΝ ΕΣΗΣ Όταν δεν επιθυµούµε να γίνει ενίσχυση µε επέµβαση στο κτίριο ή δεν είναι εφικτή, είναι δυνατή η σύνδεση των δικτυωτών συνδέσµων στον φέροντα οργανισµό εξωτερικά του τοίχου πλήρωσης. Οι σύνδεσµοι στηρίζονται πάνω στους κόµβους του πλαισίου, από την εξωτερική όψη, µε συγκόλληση της κάθε ράβδου, του µεταλλικού δικτυώµατος, πάνω σε ένα µεταλλικό έλασµα. Στη συνέχεια το έλασµα συνδέεται πάνω στον κόµβο µε την χρήση βλήτρων και ρητίνης. Επειδή η σεισµική δράση µεταφέρεται στους συνδέσµους µε εκκεντρότητα υπάρχουν προβλήµατα λυγισµού. Έτσι για να αποφύγουµε αυτό το πρόβληµα δηµιουργούµε µία τοπική στένωση της διατοµής κοντά στα σηµεία της σύνδεσης[8]. Σχήµα 6: Εξωτερική σύνδεση µεταλλικών δικτυωµάτων και λεπτοµέρεια σύνδεσης [8] 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

111 Η Χρήση των Μεταλλικών ικτυωτών Συνδέσµων στην Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών Ο/Σ 5. ΤΡΟΠΟΙ ΣΥΝ ΕΣΗΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΩΝ ΡΑΒ ΩΝ ΙΚΤΥΩΣΗΣ Ένα σηµαντικό τµήµα των µεταλλικών ράβδων δικτύωσης, για να µπορούν, τα διαγώνια µέλη, να παραλαµβάνουν επαρκώς τις δράσεις από τον σεισµό, είναι η ποιότητα των συνδέσεων µε τον αρχικό πλαισιακό φορέα. Έχει παρατηρηθεί ότι η αντοχή του συστήµατος πλαισιακός φορέας - µεταλλικός σύνδεσµος είναι µεγαλύτερη από το άθροισµα των αντοχών καθενός ξεχωριστά. Η αντοχή αυτή προέρχεται από την δυσκαµψία που δίνουν οι συνδέσεις στο σύνολο, λόγω της µείωσης του ενεργού µήκους των δοκών και των υποστυλωµάτων. Στις πιο συχνά χρησιµοποιούµενες συνδέσεις η επιπλέον αυτή αντοχή έχει παρατηρηθεί ότι είναι της τάξης του 10%[3,9]. Η σύνδεση των εσωτερικών δικτυωµάτων µε τον πλαισιακό φορέα µπορεί να γίνει είτε άµεσα είτε έµµεσα. Ο άµεσος τρόπος σύνδεσης είναι γρηγορότερος στην κατασκευή και πιο φθηνός σε σχέση µε τον έµµεσο, αλλά πιθανόν να χρειάζεται τοπική ενίσχυση των υποστυλωµάτων και των δοκών[10]. Για την κατασκευή της σύνδεσης η ράβδος του δικτυώµατος συγκολλείται Σχήµα 7: Τρόποι σύνδεσης σε υφιστάµενες κατασκευές [1] πάνω σε ένα µεταλλικό έλασµα, το οποίο στη συνέχεια τοποθετείται στην γωνία δοκούυποστυλώµατος. Στη συνέχεια αυτό συγκολλείται σε δύο άλλα µεταλλικά ελάσµατα, των οποίων η σύνδεση µε τη δοκό και το υποστύλωµα γίνεται µε δύο τρόπους όπως στο Σχήµα 7. Στον πρώτο τα ελάσµατα στερεώνονται µε µπουλόνια στη δοκό και στο υποστύλωµα, ενώ στον δεύτερο τρόπο µε βλήτρα τα οποία έχουν αγκυρωθεί στο πλαίσιο µε τη χρήση ρητίνης.[12] Ο έµµεσος τρόπος σύνδεσης έχει µεγαλύτερο κόστος, καθώς η σύνδεση του πλαισίου και των δικτυωτών συνδέσµων γίνεται µε χαλύβδινα στοιχεία, τα οποία τοποθετούνται στην περίµετρο του πλαισίου, ενώ τα διαγώνια χαλύβδινα στοιχεία συνδέονται πάνω σε αυτά µε χρήση µεταλλικών κοµβοελασµάτων. Η διατµητική σύνδεση των χαλύβδινων στοιχείων µε τις δοκούς και τα υποστυλώµατα επιτυγχάνεται µε την χρήση χαλύβδινων βλήτρων. Η διαδικασία διάνοιξης των οπών καθώς και η χρήση ρητίνης για την αγκύρωση αυτών στο σκυρόδεµα φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Αρχικά ανοίγονται οπές στα στοιχεία Σχήµα 8: Βήµατα κατασκευή έµµεσης σύνδεσης [6] 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

112 Πετρόπουλος Αλέξανδρος σκυροδέµατος και στη συνέχεια µε την χρήση εποξειδικής ρητίνης αγκυρώνονται σε αυτά τα βλήτρα. Αντίστοιχα στα χαλύβδινα στοιχεία συγκολλούνται βλήτρα σε όλο τους το µήκος. Τέλος στο κενό µεταξύ των δύο επιφανειών τοποθετείται µη συρρικνούµενο κονίαµα υψηλής αντοχής[4, 6]. Η τελική όψη των δύο πλαισίων µετά την τοποθέτηση των βλήτρων φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Γενικά µε τον έµµεσο τρόπο σύνδεσης, αν εξασφαλίσουµε πλήρη διατµητική σύνδεση, µπορούµε να µειώσουµε τις πλευρικές µετακινήσεις του πλαισιακού φορέα και να παραλάβουµε ένα ποσοστό των κατακόρυφων φορτίων [2, 4]. Σχήµα 9: Έµµεσος τρόπος σύνδεσης [4] 6. ΤΡΟΠΟΙ ΑΣΤΟΧΙΑΣ Μετά από την επίδραση πλευρικού φορτίου έχουν παρατηρηθεί τρείς βασικοί τύποι αστοχίας: Κατά τον πρώτο τρόπο ένα µεταλλικό µέλος διαρρέει είτε σε εφελκυσµό είτε σε θλίψη ή σε λιγυσµό λόγω θλίψης, µαζί µε διατµητική ή καµπτική αστοχία των υποστυλωµάτων του πλαισίου οπλισµένου σκυροδέµατος. Αυτός ο τρόπος αστοχίας παρατηρείται όταν η διατµητική σύνδεση έχει µεγάλη αντοχή [11]. Σχήµα 10: Πρώτος τρόπος αστοχίας Κατά τον δεύτερο τρόπο αστοχίας: αρχικά έχουµε αστοχία της διατµητικής σύνδεσης είτε λόγω διαρροής των διατµητικών ήλων είτε λόγω αστοχίας του κονιάµατος. Στη συνέχεια η διατµητική δύναµη οδηγεί κάποιο υποστύλωµα σε διατµητική ή καµπτική αστοχία [11]. Σχήµα 11: εύτερος τρόπος αστοχίας 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

113 Η Χρήση των Μεταλλικών ικτυωτών Συνδέσµων στην Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών Ο/Σ Τέλος κατά τον τρίτο τρόπο αστοχίας: αρχικά έχουµε ένα αρκετά δύσκαµπτο µεταλλικό δικτύωµα και η διατµητική σύνδεση είναι αρκετά ισχυρή. Έτσι τα υποστυλώµατα του αρχικού πλαισίου διαρρέουν είτε σε εφελκυσµό στις ίνες που εφελκύονται είτε σε θλίψη στις ίνες που θλίβονται, οδηγώντας σε καµπτική αστοχία όλο το πλαίσιο [11]. Σχήµα 12: Τρίτος τρόπος αστοχίας 7. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Παρατηρούµε ότι η χρήση των µεταλλικών δικτυωτών συνδέσµων για την ενίσχυση υφιστάµενων κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος µπορεί να έχει ικανοποιητικά αποτελέσµατα, καθώς επιτυγχάνει να αυξήσει την αντοχή και την δυσκαµψία του φορέα και επιπλέον συµµετέχει σηµαντικά στην κατανάλωση της ενέργειας του σεισµού, λόγω των όλκιµων χαρακτηριστικών του χάλυβα των διαγωνίων. Βασικό κοµµάτι του σχεδιασµού για να έχουµε τον επιθυµητό τρόπο αστοχίας είναι η επάρκεια των συνδέσεων. Οι συνδέσεις θα πρέπει να σχεδιάζονται µε τέτοιον τρόπο ώστε να έχουν υπεραντοχή που να εξασφαλίζει ότι η διαρροή περιορίζεται στα διαγώνια µέλη. Επιπλέον σηµαντικός παράγοντας είναι και η µεταλυγισµική συµπεριφορά των διαγώνιων µελών. Γι αυτό η διαστασιολόγηση αλλά και η κατασκευαστική διαµόρφωση των ράβδων δικτύωσης θα πρέπει να στοχεύει στον έλεγχο της µεταλυγισµικής συµπεριφοράς τους και των δυσµενών επιπτώσεων της που ενδέχεται να τις εµποδίσουν να αναπτύξουν την πλήρη εφελκυστική τους αντοχή[2]. Πέρα από την επάρκεια των συνδέσεων και των διαγώνιων µελών, έναντι ψαθυρών τρόπων αστοχίας, ιδιαίτερα σηµαντικός είναι και ο έλεγχος των κόµβων του υφιστάµενου φορέα µετά την τοποθέτηση των δικτυωτών συνδέσµων. Η προσθήκη των δικτυωµάτων εισάγει επιπλέον εντατικά µεγέθη στους κόµβους, λόγω ανακατανοµής της έντασης στο φορέα. Έτσι αν διαπιστωθεί ανεπάρκεια των κόµβων είναι αναγκαία η αναθεώρηση του σχεδιασµού ενίσχυσης του φέροντος οργανισµού, ώστε να περιλαµβάνει και ενίσχυση των κόµβων[3]. Τέλος δεν θα πρέπει να παραλείψουµε ότι µε την χρήση των µεταλλικών δικτυωµάτων επεµβαίνουµε στην κατασκευή χωρίς να προσθέσουµε µεγάλο κατακόρυφο φορτίο σε αυτή. Η εγκατάσταση των δικτυωτών συνδέσµων σε αντίθεση µε άλλες µεθόδους ενίσχυσης, όπως τοιχώµατα, επιτρέπει τον φυσικό φωτισµό να περνά από τα φατνώµατα. Επιπλέον όπως είδαµε µπορούµε να αποφύγουµε τις επεµβάσεις στον αρχικό φορέα δηµιουργώντας έναν εξωτερικό δικτυωτό σύνδεσµό, πολλές φορές χωρίς να διακοπεί η λειτουργία του κτιρίου. Όλοι αυτοί οι λόγοι καθιστούν αυτόν τρόπο ενίσχυσης ιδιαίτερα ανταγωνιστικό σε σχέση µε τις συµβατικές µεθόδους ενίσχυσης µε τοιχώµατα οπλισµένου σκυροδέµατος. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

114 Πετρόπουλος Αλέξανδρος 8. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] M. R. Maheri, A. Sahebi, Use of steel bracing in reinforced concrete frames, Engineering Structures, Vol 19, No 12, pp , 1997 [2] Κανονισµός Επεµβάσεων (ΚΑΝ.ΕΠΕ.) - Τελικό κείµενο ( ) [3] Κωνσταντίνος Σπυράκος Ενίσχυση κατασκευών για σεισµικά φορτία, ΤΕΕ 2004 [4] Αθανάσιος Χ. Τριανταφύλλου Σύµµικτες κατασκευές, Πάτρα 2011 [5] Σπύρος ιγενής Ενίσχυση κατασκευών µε χρήση δικτυωτών συνδέσµων, 16 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών, Πάτρα Φεβρουάριος 2010 [6] Tetsuya Ohmura, Shizuo Hayashi, Kazuhiro Kanata and Tashiro Fujimura, Seismic Retrofit of Reinforced Concrete Frames by Steel Braces Using No Anchors Proceedings of the 2006 Disaster Resistant California Conference, April 18-22, 2006, San Francisco, California, USA, Paper No 42 [7] A. Ghobarah, H. Abou Elfath, Rehabilitation of a reinforced concrete frame using eccentric steel bracing, Engineering Structures 23 (2001) [8] Θυµιανύδου Μαγδαληνή, Ενίσχυση πλαισίων οπλισµένου σκυροδέµατος µε µεταλλικές ράβδους δικτύωσης, ιπλωµατική Εργασία, Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήµιο, Αθήνα, Σεπτέµβριος 2009 [9] Mahmoud R. Maheri, H. Ghaffarzadeh, Connection overstrength in steel-braced RC frames, Engineering Structures 30 (2008) [10] Ferraioli M., Avossa A.M., Malangone P. Performance-based Assessment of R.C. buildings strengthened with steel braces, Federation Internationale du Beton, Proceedings of the 2 nd International Congress, June 5-8, 2006-Naples, Italy [11] Yasutoshi Yamamoto, Strength and ductility of frames strengthened with steel bracing, Department of Architecture, Shibaura Institute of Technology, Tokyo [12] M.R. Maheri, A. Hadjibour, Experimental investigation and design of steel brace connection to RC frame, Engineering Structures 25 (2003) ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

115 Η Μέθοδος των Μετατεταγµένων Κατακόρυφων ίσκων στις Ενισχύσεις των Κατασκευών Η ΜΕΘΟ ΟΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΩΝ ΙΣΚΩΝ ΣΤΙΣ ΕΝΙΣΧΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΡΗΓΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Περίληψη Η εργασία αυτή έχει σαν σκοπό την παρουσίαση της µεθόδου των µετατεταγµένων κατακόρυφων δίσκων σε κατασκευές που χρήζουν αντισεισµικής ενίσχυσης. Αρχικά καταγράφονται τα µειονεκτήµατα της ενίσχυσης κατασκευής µε συνεχές καθ ύψος τοίχωµα. Μέσω ενός παραδείγµατος γίνεται σύγκριση των δύο µεθόδων όπου και παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της µεθόδου των µετατεταγµέων δίσκων. Τέλος γίνεται αναφορά σε κατασκευαστικές λεπτοµέρειες. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ραγδαία εξέλιξη της επιστήµης του πολιτικού µηχανικού- σε θεωρητικό και πρακτικό επίπεδο- κατά το τελευταίο µισό του 20 ου αιώνα, συνεχίζεται µέχρι και σήµερα. Η πείρα σε συνδυασµό µε τα σύγχρονα υπολογιστικά µέσα και την έρευνα, οδηγούν σε νέες έννοιες και κανονισµούς που εισάγονται συνεχώς στα βιβλία αλλά και στην πράξη. Αρνητική(και σε µεγάλο βαθµό αναπόφευκτη) συνέπεια της θετικής αυτής εξέλιξης είναι πως µεγάλο ποσοστό των κτιρίων της χώρας έχει σχεδιαστεί είτε χωρίς καθόλου αντισεισµικούς κανονισµούς(πριν το 1959), είτε µε αντισεισµικούς κανονισµούς που ήταν ανεπαρκείς, αφού υποτιµούσαν το µέγεθος των σεισµικών δράσεων και προσδιόριζαν πληµµελώς τα σεισµικά εντατικά µεγέθη( )[1]. ίπλα,λοιπόν, στην ανάγκη της αντισεισµικής επάρκειας µιας νέας κατασκευής προστέθηκε η ανάγκη ενίσχυσης µιας υφιστάµενης. Η ενίσχυση µιας κατασκευής από Ο/Σ µε τη προσθήκη τοιχωµάτων είναι µια από τις µεθόδους που επιδρούν στο σύνολο της κατασκευής, αυξάνοντας τη δυσκαµψία και την αντοχή του. Με τον τρόπο αυτό διορθώνονται ταυτόχρονα και πολλές εγγενείς µορφολογικές αδυναµίες των κτιρίων όπως εύκαµπτοι όροφοι, εκκεντρότητες κατόψεων, κοντά υποστυλώµατα κ.α. Η µέθοδος χρησιµοποιείται: 1) Σε κτίρια που παρουσιάζουν µεγάλες µετακινήσεις, 2) Σε κτίρια µε πυλωτή ή µαγαζιά στο ισόγειο όπου και υπάρχει µεγάλη πιθανότητα δηµιουργίας εύκαµπτου ορόφου, 3) σε κτίριο που έχει παρατηρηθεί εκκεντρότητα στις ακαµψίες.με την τοποθέτηση ενφατνούµενων τοιχωµάτων συµβάλλουµε στο να πλησιάσουν το κέντρο µάζας µε το κέντρο δυσκαµψίας, κάτι που θα βοηθήσει στην αποφυγή πρόσθετων δυνάµεων λόγω στρέψης στα µέλη του φορέα.[4] Η εφαρµογή όµως της µεθόδου αυτής, στην πράξη συναντά, κατασκευαστικές, λειτουργικές και οικονοµικές δυσκολίες. Βασικό µειονέκτηµά της αποτελεί η µεταφορά µεγάλων δυνάµεων και ροπών στη θεµελίωση, δηµιουργώντας έτσι µεγάλες ροπές ανατροπής, οι οποίες θα πρέπει να αναληφθούν µε ένα σωστά διαµορφωµένο σύστηµα θεµελίωσης[2]. Οι οποιαδήποτε επέµβαση αυτού του είδους σηµαίνει αυτόµατα 1)ενίσχυση της θεµελίωσης (π.χ. δηµιουργία πεδιλοδοκόυ, σύνδεση νέου πέδιλου µε τα διπλανά του µε συνδετήρια δοκό) 2)επάρκεια χώρου και δυνατότητα πρόσβασης των δοµικών µηχανών 3) εκκένωση του συνόλου του κτιρίου όσο διαρκούν οι επισκευές 4)τη µείωση των χώρων και της λειτουργικότητάς τους. Τα παραπάνω οδηγούσαν τους µελετητές στην εκ προοιµίου απόρριψη της µεθόδου αυτής και στο να προτιµήσουν την «κλασική» ενίσχυση των υποστυλωµάτων µέσω µανδυών Ο/Σ. Κάτι τέτοιο όµως παρέβλεπε την δυσµενή αντισεισµική διάταξη των υποστυλωµάτων που παρέµενε. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

116 Ρήγας Παναγιώτης 2. Η ΜΕΘΟ ΟΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΩΝ ΙΣΚΩΝ Λύση στο παραπάνω πρόβληµα και ταυτόχρονα εναλλακτική µέθοδο ενίσχυσης µε τοιχώµατα είναι η µέθοδος των µετατεταγµένων κατακόρυφων δίσκων. Με τον όρο «µετατεταγµένοι κατακόρυφοι δίσκοι» εννοούµε τα µη συνεχή καθ ύψος ή/και στο επίπεδό τους τοιχώµατα οπλισµένου σκυροδέµατος. Οι µετατεταγµένοι κατακόρυφοι δίσκοι µπορεί να αποτελούνται είτε (α) από τοιχώµατα οπλισµένου σκυροδέµατος τοποθετηµένα στα φατνώµατα των πλαισίων µεταξύ των οριζοντίων δοκών και των κατακόρυφων στύλων και επαρκώς οπλισµένα και αγκυρωµένα στο πλαισιακό φάτνωµα, είτε (β) από µεταλλικούς δικτυωτούς συνδέσµους. Οι θέσεις των κατακόρυφων δίσκων µπορούν να διαφέρουν καθ' ύψος από όροφο σε όροφο του κτιρίου. Πρέπει όµως κάθε όροφος να διαθέτει τουλάχιστον δύο κατακόρυφους δίσκους ανά διεύθυνση ενίσχυσης του κτιρίου. Η απόσταση µεταξύ των δίσκων ανά διεύθυνση ενίσχυσης είναι επιθυµητό να είναι η µέγιστη δυνατή. Η µέθοδος αυτή αρχικά φαίνεται να παραβιάζει την καθ ύψος κανονικότητα της κατασκευής, καθώς µία από τις απαιτήσεις των κανονισµών -ώστε να διαπιστωθεί η κανονικότητα καθ ύψος ενός κτιρίου- είναι η µάζα των ορόφων και η δυσκαµψία των δοµικών στοιχείων τους να είναι η ίδια σ όλους τους ορόφους ή να µειώνεται οµαλά από τη βάση προς την κορυφή[3]. Βασική στόχευση της απαίτησης είναι µεταξύ άλλων η αποφυγή δηµιουργίας εύκαµπτου ορόφου και η εν γένει εξοµάλυνση της καθ ύψος µεταβολής των οριζόντιων µετατοπίσεων των ορόφων. Όπως όµως θα δούµε στο παρακάτω παράδειγµα, όχι µόνο δεν παραβιάζεται αλλά επιτυγχάνεται µε καλύτερους όρους η βασική αυτή στόχευση. 3. Η ΜΕΘΟ ΟΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΩΝ ΙΣΚΩΝ ΜΕ ΕΝΑ ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ Σε µια από τις παρουσιάσεις τις µεθόδου των µετατεταγµένων κατακόρυφων δίσκων οι Ε. Ν. Μπαµπούκας και Ι.Ε. Αβραµίδης, χρησιµοποίησαν ως πρότυπο κτίριο για τις παραµετρικές αναλύσεις ένα 10-ώροφο κτίριο µε ύψος ορόφου 3.0 m και εξωτερικές διαστάσεις 20.0 m x 20.0 m. Τα συνολικώς τριάντα υποστυλώµατα διατοµής 50/50 είναι διατεταγµένα σε ορθογωνικό κάναβο 5x6. Όλες οι δοκοί (φατνώµατα) έχουν διατοµή κορµού 25/50 µε πάχος πλάκας 15 cm. Σχήµα1: Χωρικός φορέας [5] Ως σεισµική φόρτιση του κτιρίου θεώρησαν οµοιόµορφα οριζόντια (αξονικά) στατικά φορτία επί των δοκών που είναι παράλληλες µε τον άξονα Χ. Η καθ' ύψος κατανοµή των φορτίων είναι τριγωνική και κοινή σε όλες τις στατικές επιλύσεις. Οι τιµές των οριζόντιων 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

117 Η Μέθοδος των Μετατεταγµένων Κατακόρυφων ίσκων στις Ενισχύσεις των Κατασκευών σεισµικών φορτίων για τις στάθµες 1 έως 10 είναι : F1=250, F2=500, F3=750, F4=1000, F5=1250, F5=1500, F7=1750, F8=2000, F9=2250 και F10=2500 kn. Τα ενισχυτικά τοιχώµατα οπλισµένου σκυροδέµατος έχουν πάχος 20 cm και καταλαµβάνουν όλο το εύρος του φατνώµατος στο οποίο τοποθετούνται. Στο πρώτο µοντέλο που ανέλυσαν τοποθέτησαν στους άξονες 1 και 5 συνεχή καθ ύψος τοιχώµατα Ο/Σ µεταξύ της σειράς Γ και των υποστυλωµάτων(σχήµα 2) ενώ στο δεύτερο τοποθέτησαν εµφατνουµενα τοιχώµατα Ο/Σ σε τυχαίες θέσεις και µε µόνη προϋπόθεση ότι κάθε στάθµη διαθέτει δύο τοιχώµατα συµµετρικά τοποθετηµένα ως προς το κεντρικό άξονα του κτιρίου(σχήµα 3,4)[5] Σχήµα 2: Όψη αξόνων 1 και 5 (συνεχές καθ ύψος) [5] Σχήµα 3: Όψη αξόνων 1&5 Σχήµα 4: Όψη αξόνων 2&4 (µετατεταγµένη διάταξη) [5] (µετατεταγµένη διάταξη) [5] 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

118 Ρήγας Παναγιώτης Από την ανάλυση των 2 µοντέλων προέκυψαν τα ακόλουθα αποτελέσµατα: Σχήµα 7(a,b): Μετακινήσεις σε mm ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ 1: Οι οριζόντιες µετακινήσεις των ορόφων στη µετατεταγµένη διάταξη είναι % µικρότερες από αυτές στη συνεχή διάταξη.(σχήµα 7(a,b)) Σχήµα 8: Καµπτικές ροπές άξονα 1 [5] ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ 2: Οι ροπές κάµψης στη συνεχή διάταξη εµφανίζουν πολύ µεγάλες ροπές στη βάση ενώ µειώνονται σηµαντικά στους µεσαίους και υψηλούς ορόφους(σχήµα 8) 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

119 Η Μέθοδος των Μετατεταγµένων Κατακόρυφων ίσκων στις Ενισχύσεις των Κατασκευών Σχήµα 9: Καµπτικές ροπές άξονα 1 [5] Σχήµα10: Καµπτικές ροπές άξονα 2 [5] ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ 3: Στη µετατεταγµένη διάταξη των κατακόρυφων δίσκων οι ροπές στη βάση είναι σηµαντικά µικρότερες. (Σχήµα 9,10) Σχήµα 11: ιατµητικές δυνάµεις στον άξονα 1 (συνεχής διάταξη) [5] ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ 4: Οι διατµητικές δυνάµεις ανά όροφο στη συνεχή διάταξη τοιχωµάτων δεν έχουν σηµαντικές διαφορές από αυτές στη µετατεταγµένη.( Σχήµα 11,12,13) 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

120 Ρήγας Παναγιώτης Σχήµα 12: ιατµητικές δυνάµεις στον άξονα 1 Σχήµα 13: ιατµητικές δυνάµεις στον άξονα 2 (µετατεταγµένη διάταξη) [5] (µετατεταγµένη διάταξη) [5] Σχήµα 14: Αξονικές δυνάµεις άξονα 1 Σχήµα 15: Αξονικές δυνάµεις άξονα 2 (µετατεταγµένη διάταξη) [5] (µετατεταγµένη διάταξη) [5] ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ 5: Στη µετατεταγµένη διάταξη, οι αξονικές δυνάµεις των υποστυλωµάτων ακριβώς κάτω από τους µετατεταγµένους δίσκους εµφανίζονται ιδιαίτερα αυξηµένες σε σχέση µε τους στύλους των ίδιων θέσεων στη συνεχή διάταξη. (Σχήµα 14,15,16) 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

121 Η Μέθοδος των Μετατεταγµένων Κατακόρυφων ίσκων στις Ενισχύσεις των Κατασκευών Σχήµα 16: Αξονικές δυνάµεις άξονα 1 (συνεχής διάταξη) [5] Από το παράδειγµα αυτό προκύπτουν µια σειρά συµπερασµάτων, όπως: Στο συνεχές καθ ύψος τοίχωµα οι ροπές κάµψης στον 1 ο από το έδαφος όροφο είναι πολύ µεγαλύτερες σε σχέση µε την µετατεταγµένη διάταξη. Αυτό σηµαίνει πως η µεγάλη ροπή βάσης θα πρέπει να παραληφθεί και από νέο θεµέλιο µε κατάλληλες διαστάσεις. Οι αξονικές δυνάµεις στα υποστυλώµατα κάτω από τους µετατεταγµένους δίσκους παρουσιάζουν απότοµη και µεγάλη αύξηση. Η διαστασιολόγηση όµως των υποστυλωµάτων αυτών µε την νέα αξονική δύναµη και την νέα κατά πολύ µειωµένηροπή κάµψης δείχνει πως ο απαιτούµενος οπλισµός σε πολλές περιπτώσεις επαρκεί. Σε κάθε περίπτωση όµως, η ενίσχυση ενός υποστυλώµατος που καταπονείται κυρίως σε θλίψη είναι απλούστερη και πιο αξιόπιστη από την ενίσχυση ενός υποστυλώµατος καταπονούµενο κυρίως σε κάµψη. 4. ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΕΣ ΛΕΠΤΟΜΕΡΙΕΣ Οι κανόνες κατασκευαστικής διαµόρφωσης των τοιχωµάτων είναι ίδιες µε αυτές που ισχύουν για τις νέες κατασκευές. Έτσι το πάχος του τοιχώµατος δεν πρέπει να είναι µικρότερο από τα 2/5 του πάχους του συνοριακού υποστυλώµατος ή της άνω δοκού του πλαισίου, όποιο είναι µικρότερο, και δεν πρέπει να είναι µεγαλύτερο από το πάχος της άνω δοκού.[2] Τα υποστυλώµατα κάτω από το ενφατνούµενο τοίχωµα, τα οποία είδαµε ότι παραλαµβάνουν µεγάλες αξονικές δυνάµεις ελέγχονται για την επάρκειά τους στην παραλαβή αυτών των δυνάµεων λόγω των µειωµένων καµπτικών ροπών. Τα υποστυλώµατα στις άκρες του κάθε κατακόρυφου δίσκου θα παίξουν πλέον το ρόλο των άκρων του τοιχώµατος και πρέπει να ελέγχονται για το αν έχουν την απαιτούµενη παραµοφωσιακή ικανότητα. Κρίσιµο στοιχείο που επηρεάζεται από την δράση των τοιχωµάτων είναι η δοκός πάνω από το τοίχωµα. Απαιτείται έλεγχος στις στάθµες ορόφων ότι οι δοκοί που συντρέχουν στο τοίχωµα (µε διεύθυνση τον ισχυρό άξονα του τοιχώµατος) έχουν επαρκή διαµήκη οπλισµό για τη µεταφορά των οριζόντιων δράσεων του ορόφου. Αν ο οπλισµός είναι ανεπαρκής ενισχύουµε το δοκάρι κάνοντας χρήση συγκολλητών µεταλλικών πλακών που αγκυρώνονται πάνω στη παλιά δοκό στη διεύθυνση του ισχυρού άξονα. Σε αυτές τις πλάκες συγκολλούνται οριζόντιες διαµήκεις ράβδοι οπλισµού, που τοποθετούνται στις στάθµες των ορόφων και αγκυρώνονται στο νέο τοίχωµα[6]. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

122 Ρήγας Παναγιώτης Επίσης στη µέθοδο των µετατεταγµένων κατακόρυφων δίσκων οι πλάκες λειτουργούν ως δίσκοι (διαφράγµατα) µεταφοράς των οριζόντιων δυνάµεων στα κατακόρυφα στοιχεία του κτιρίου. Στις µετατεταγµένες διατάξεις της µη συνεπίπεδης µετάταξης, ο ρόλος της λειτουργίας των διαφραγµάτων των πλακών καθίσταται κρισιµότερος, διότι µέσω των πλακών λειτουργεί η σύζευξη των γειτονικών, µετατεταγµένων κατά επίπεδο τοιχωµάτων. Προκειµένου να υπολογισθεί η καταπόνηση των πλακών ως δίσκων µεταφοράς δυνάµεων, η προσοµοίωσή τους γίνεται µε επαρκές πλήθος κατάλληλων πεπερασµένων στοιχείων µε πεπερασµένες ελαστικές ιδιότητες. Γενικώς, όµως ο αυξηµένος εφελκυσµός των πλακών δεν δηµιουργεί ιδιαίτερο πρόβληµα, διότι η επάρκεια της πλάκας-διαφράγµατος σε εφελκυστικές σεισµικές καταπονήσεις αποκαθίσταται µε σχετικά µικρό βαθµό δυσκολίας.[5] Τέλος, απαραίτητο στοιχείο για τη σωστή λειτουργία των νέων προσθηκών στο φέροντα οργανισµό αποτελεί και ο έλεγχος σε διάτµηση των διεπιφανειών του φατνώµατος µε τα υποστυλώµατα και τη δοκό και η τοποθέτηση των απαιτούµενων βλήτρων στις διεπιφάνιες αυτές (σχήµα 17) Σχήµα 17: Σκαρίφηµα µετατεταγµένου Τοιχώµατος 5.ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΣΥΝΟΨΗ Η µέθοδος των µετατεγµένων κατακόρυφων δίσκων αποτελεί εναλλακτική λύση για την επέµβαση στο σύνολο της κατασκευής. Η χρήση της αποσκοπεί στην επιδιόρθωση των µορφολογικών αδυναµιών της κατασκευής (π.χ. εύκαµπτοι όροφοι, εκκεντρότητες κατόψεων, την αύξηση της αντοχής και της δυσκαµψίας. Η µέθοδος αυτή χαρακτηρίζεται από το χαµηλό κόστος κατασκευής -αφού δεν απαιτεί µεγάλης έκτασης επέµβαση στη θεµελίωση και έχει µικρότερο βαθµό όχλησης των ενοίκων-, την ευελιξία της και την ταχύτητα στη υλοποίησή της. Από αυτή τη σκοπιά είναι προτιµότερη από την µέθοδο ενίσχυσης µε προσθήκη συνεχών καθ ύψος τοιχωµάτων Ο/Σ. Τέλος, όπως φάνηκε και στο παραπάνω παράδειγµα, δεν παραβιάζεται η βασική στόχευση της καθ ύψους κανονικότητας, που είναι η αποφυγή δηµιουργίας εύκαµπτου ορόφου και η εν γένει εξοµάλυνση της καθ ύψος µεταβολής των οριζόντιων µετατοπίσεων των ορόφων. 6.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Ι.Τέγος, Γ.Χ.Ρουπακιάς, «Προεκτίµηση των αναγκαίων εµφατνωµένων σε πλαίσια ή και ανεξαρτήτων τοιχωµάτων για την ενίσχυση υφιστάµενης οικοδοµής», Πρακτικά 15 ου Συνεδρίου Σκυροδέµατος 2006 [2] Βλάχα Μαρίνα, Φλογέρας Αντώνης, «Ενίσχυση κτιρίων µε προσθήκη τοιχωµάτων οπλισµένου σκυροδέµατος», Πρακτικά 9 ου φοιτητικού συνεδρίου «Επισκευες Κατασκευών» [3]Φαρδής Μιχαήλ, Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ : Ευρωκώδικας 8 «Αντισεισµικός Σχεδιασµός Κατασκευών Μέρος 1 Γενικοί Κανόνες, Σεισµικές ράσεις, Κανόνες για Κτίρια, 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

123 Η Μέθοδος των Μετατεταγµένων Κατακόρυφων ίσκων στις Ενισχύσεις των Κατασκευών [4]Αργυρόπουλος Χρήστος, «Ενίσχυση πλαισίων µε ενφατνούµενα τοιχώµατα από σκυρόδεµα», Πρακτικά 10 ου φοιτητικού συνεδρίου «επισκευές κατασκευών» [5] Ε.Ν. Μπάµπουκας, Ι.Ε. Αβραµίδης, Ενισχύσεις υφισταµένων κτιρίων µέσω µετατεταγµένων κατακόρυφων δίσκων, Πρακτικά 15ου Συνεδρίου Σκυροδέµατος 2006 [6] Σ.Η. ρίτσος, Ενισχύσεις / επισκευές κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα, Πάτρα ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

124 Ρήγας Παναγιώτης 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

125 Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών µε Αποσβεστήρες Τριβής ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΜΕ ΑΠΟΣΒΕΣΤΗΡΕΣ ΤΡΙΒΗΣ ΛΟΤΣΑΡΗΣ ΗΜΗΤΡΙΟΣ ΠΑΧΗΣ ΑΛΕΞΑΝ ΡΟΣ Περίληψη Ο στόχος της εργασίας είναι να γνωστοποιηθούν νέες ιδέες για µεθόδους ανάληψης της σεισµικής δράσης. Η µέθοδος που παρουσιάζεται είναι η διάχυση παθητικής ενέργειας σε υφιστάµενες κατασκευές µε την χρήση αποσβεστήρων τριβής. Αναφέρονται εκτενώς τα υπάρχοντα είδη των αποσβεστήρων τριβής, οι αρχές και ο τρόπος λειτουργίας τους καθώς και τα πλεονεκτήµατα τους. Επίσης παρουσιάζονται κατασκευαστικές λεπτοµέρειες για την αποδοτικότερη λειτουργία των αποσβεστήρων. Μεγάλη έµφαση δίνεται σε εφαρµογές των αποσβεστήρων σε ήδη υπάρχοντα κτίρια για να τονισθούν τα προτερήµατα τους απέναντι στις συµβατικές µεθόδους σεισµικής ενίσχυσης και για να γίνει πιο κατανοητή η χρήση και η χρησιµότητά τους. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στον σχεδιασµό των περισσότερων κτιρίων, τα πρώτα φορτία που λαµβάνονται υπ όψιν είναι αυτά που οφείλονται στην βαρύτητα. Τα φορτία αυτά υπάρχουν καθ όλη τη διάρκεια της ζωής τους και τα µεγέθη τους µπορούν εύκολα να προβλεφθούν καθώς αποτελούνται από το ίδιο βάρος της κατασκευής και τα βάρη των ωφέλιµων φορτίων. Άρα η στατική εξιδανίκευση τους είναι σωστή και αξιόπιστη. Επιπλέον, στις κατασκευές πρέπει να υπάρχει προστασία από τις περιβαλλοντικές φορτίσεις (σεισµοί, άνεµοι, κύµατα), οι οποίες δεν είναι ούτε στατικές ούτε έχουν προκαθορισµένη διεύθυνση. Η σηµαντικότερη φόρτιση είναι οι αδρανειακές δυνάµεις που προκαλούνται λόγω της δυναµικής και επανακυκλιζόµενης δράσης του σεισµού. Σε αντίθεση µε τα φορτία βαρύτητας, τα µεγέθη των περιβαλλοντικών φορτίσεων είναι πολύ δύσκολο να προβλεφθούν λόγω της µεγάλης χωρικής και χρονικής στατιστικής διακύµανσής τους. Παρ όλες αυτές τις σηµαντικές διαφορές, υπάρχει µια τάση να µεταχειριζόµαστε τις περιβαλλοντικές φορτίσεις µε τις ίδιες µεθόδους που χρησιµοποιούµε για τα φορτία βαρύτητας. Για παράδειγµα ο άνεµος και σεισµός προσοµοιάζονται σαν πλευρικές δυνάµεις[1]. Χρησιµοποιώντας αυτή την προσέγγιση οι σύγχρονοι κατασκευαστικοί κώδικες προτείνουν τους ανέµους και τους µέτριους σεισµούς τα κτίρια να τους παραλαµβάνουν µε ελαστική καταπόνηση. Οι ίδιοι κώδικες όµως αντιλαµβάνονται ότι δεν είναι οικονοµικά εφικτό η ελαστική αντοχή των µελών µιας κατασκευής να παραλάβει όλη την ενέργεια ενός µείζονος σεισµού. Το κριτήριο λοιπόν που χρησιµοποιείται στις συµβατικές κατασκευές είναι η αντοχή στους µέτριους σεισµούς χωρίς σηµαντικές βλάβες και η αποφυγή κατάρρευσης στους µείζονες σεισµούς αποδεχόµενοι την ύπαρξη αστοχιών. Η αποφυγή κατάρρευσης επιτυγχάνεται χάρη στην ικανότητα των µελών του κτιρίου να απορροφούν ενέργεια µε τον σχηµατισµό πλαστικών παραµορφώσεων, ρωγµών και εσωτερικών τριβών. Γεγονός το οποίο σηµαίνει µόνιµες και πολυδάπανες βλάβες στην κατασκευή [2]. 2. ΠΡΩΤΟΠΩΡΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Ωστόσο, αν λάβουµε υπ όψιν την δυναµική φύση των περιβαλλοντικών φορτίσεων µπορούν να υλοποιηθούν πιο ουσιαστικές λύσεις. Σαν αποτέλεσµα αυτής της δυναµικής 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

126 Λοτσάρης ηµήτριος, Παχής Αλέξανδρος αντίληψης, νέα και πρωτοπόρα συστήµατα προστασίας έχουν αναπτυχθεί. Τα συστήµατα αυτά, λοιπόν, χωρίζονται σε τρείς κατηγορίες µε βάση τον τρόπο που διαχειρίζονται την σεισµική ενέργεια που εισάγεται στην κατασκευή. Οι κατηγορίες είναι: α)σεισµική µόνωση β)συστήµατα παθητικής διάχυσης ενέργειας, γ)συστήµατα ηµί-ενεργητικής και ενεργητικής διάχυσης ενέργειας. Σχήµα 1: Συστήµατα Προστασίας Κατασκευών[1] Ένα σύστηµα σεισµικής µόνωσης είναι τυπικά τοποθετηµένο στην θεµελίωση µιας κατασκευής. Με την βοήθεια της ευκαµψίας και της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας το σύστηµα µόνωσης µερικώς µεταβιβάζει στη θεµελίωση και µερικώς απορροφά την σεισµική ενέργεια που εισέρχεται στο κτήριο. Κυρίως χρησιµοποιούνται σε µεγάλα έργα, όπως γέφυρες και δεν ενδείκνυνται για επισκευές κτιρίων λόγο της µεγάλης δυσκολίας που παρουσιάζουν στην τοποθέτηση τους σε υφιστάµενες κατασκευές. Στα συστήµατα ηµί-ενεργητικής και ενεργητικής διάχυσης ενέργειας η κίνηση της κατασκευής ελέγχεται ή τροποποιείται µε την επιβολή εξωτερικής προµήθειας ενέργειας από ένα σύστηµα ελέγχου. Παρότι οι παραπάνω τεχνολογίες έχουν ένα αυξανόµενα σηµαντικό ρόλο στην ανέργεση κατασκευών, στην παρούσα εργασία θα ασχοληθούµε µε τα συστήµατα παθητικής διάχυσης ενέργειας. Παροµοίως µε την σεισµική µόνωση, η βασική λειτουργία της παθητικής διάχυσης ενέργειας είναι να απορροφούν ή να καταναλώνουν το µεγαλύτερο µέρος της ενέργειας που υπεισέρχεται στην κατασκευή που ενσωµατώθηκαν. Αντιθέτως µε τα συστήµατα ηµί-ενεργητικής και ενεργητικής διάχυσης ενέργειας δεν χρειάζεται εξωτερική παροχή ρεύµατος. Τα συστήµατα παθητικής διάχυσης ενέργειας χωρίζονται κυρίως µε βάση την αρχή λειτουργίας απόσβεσης ενέργειας που χρησιµοποιούν και όπως φαίνεται στο σχήµα 1 είναι τα εξής: α) Απόσβεση µε µεταλλικές διατάξεις διαρροής µέσω ανελαστικής παραµόρφωσης και διαρροής µεταλλικών στοιχείων, β) Απόσβεση µε αποσβεστήρες τριβής µέσω των δυνάµεων τριβής, γ) Απόσβεση µε ιξώδους και αποσβεστήρες µέσω παραµόρφωσης ιξωδοελαστικών στερεών ή υγρών, δ) Αποσβεστήρες συντονισµένης µάζας και διατάξεις συντονισµένης υγρής απόσβεσης που περιλαµβάνουν συµπληρωµατικούς ταλαντωτές που απορροφούν δυναµικά την δόνηση[1]. Στην παρούσα εργασία θα επικεντρωθούµε στους αποσβεστήρες τριβής. 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

127 Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών µε Αποσβεστήρες Τριβής 3. ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΑΠΟΣΒΕΣΤΗΡΩΝ ΤΡΙΒΗΣ Από όλες τις διαθέσιµες µεθόδους απόσπασης της κινητικής ενέργειας από ένα κινούµενο σώµα η πιο διαδεδοµένη είναι το φρένο τριβής. Είναι το πιο αποτελεσµατικό, σίγουρο και οικονοµικό µέσο σπατάλης ενέργειας. Στην δεκαετία του 70 το φρένο τριβής ενέπνευσε τους ερευνητές να δηµιουργήσουν αποσβεστήρες τριβής. Όπως και στα αυτοκίνητα, η κίνηση της ταλαντευόµενης κατασκευής µπορεί να επιβραδυνθεί χρησιµοποιώντας την αρχή της τριβής, παραλαµβάνοντας έτσι τα αδρανειακά φορτία του σεισµού µε τις ελάχιστες υλικές ζηµίες[7], σύµφωνα και µε το µότο by braking rather than breaking (Pall and Marsh, 1982). Σε όλα τα είδη αποσβεστήρων τριβής, λοιπόν, υπάρχουν δύο επιφάνειες που κατά την διάρκεια του κρίσιµου σεισµού ολισθαίνουν µεταξύ τους. Στους αποσβεστήρες παράγεται µη επανακτώµενο έργο χάρη στη εφαπτόµενη δύναµη τριβής που χρειάζονται οι δύο επιφάνειες για να ολισθήσουν. Οι επιφάνειες επαφής είναι σηµαντικό να µένουν ξηρές. Η θεωρία της ξηρής τριβής βασίζεται στις ακόλουθες υποθέσεις: α) Η συνολική δύναµη τριβής που αναπτύσσεται είναι ανεξάρτητη από την επιφάνεια επαφής β) Η συνολική δύναµη τριβής που αναπτύσσεται είναι ανάλογη του κάθετου αξονικού φορτίου στις επιφάνειες επαφής. γ) Για την περίπτωση ολίσθησης των δύο επιφανειών σε χαµηλή σχετικά ταχύτητα, η δύναµη τριβής είναι ανεξάρτητη αυτής της ταχύτητας.[1] Σαν αποτέλεσµα αυτών των υποθέσεων την στιγµή που αρχίζει η ολίσθηση και κατά τη ν διάρκεια αυτής η δύναµη τριβής (τριβή ολίσθησης) είναι: F=µ*Ν (1) F=τριβή ολίσθησης µ= συντελεστής τριβής Ν= Αξονική δύναµη κάθετη στην επιφάνεια Την επιθυµητή τριβή ολίσθησης την επιτυγχάνουµε ρυθµίζοντας την κάθετη δύναµη στις επιφάνειες και επιλέγοντας τα κατάλληλα υλικά επιφανειών που παρέχουν το ζητούµενο συντελεστή τριβής µ, όπως φαίνεται και από την σχέση 1. Η τιµή του µ δεν επηρεάζεται από την θερµοκρασία, επηρεάζεται όµως από τις χηµικές αντιδράσεις που ενδεχοµένως γίνονται στις επιφάνειες επαφής (π.χ. οξείδωση). Αν εξετάσουµε µικροσκοπικά τις επιφάνειες θα δούµε ότι δεν είναι λείες αλλά τραχιές, όπως φαίνεται στο σχήµα 2. Η αλληλεµπλοκή αυτών των ανωµαλιών κατά την διάρκεια της ολίσθησης δηµιουργεί ελαστικές ή πλαστικές παραµορφώσεις στην επιφάνεια µε αποτέλεσµα την δύναµη τριβής. Αν όµως υπάρχει υγρασία στην συσκευή η επιφάνεια θα είναι οξειδωµένη αλλοιώνοντας τα µηχανικά χαρακτηριστικά της µε αποτέλεσµα την µείωση της δύναµης τριβής. Καταλαβαίνουµε, λοιπόν, ότι η προφύλαξη της συσκευής από την υγρασία είναι σηµαντική.[1] Σχήµα 2. Μικροσκοπική τοµή: α)καθαρής µεταλλικής επιφάνειας β) οξειδωµένης µεταλλικής επιφάνειας [1] 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

128 Λοτσάρης ηµήτριος, Παχής Αλέξανδρος Από τα παραπάνω συνεπάγεται ότι αν δεν ασκηθεί δύναµη ίση µε την τριβή ολίσθησης στον αποσβεστήρα δεν υπάρχει ολίσθηση και συνεπώς διασκεδασµός ενέργειας. Η µέγιστη δύναµη που µπορεί να δεχθεί είναι η τριβή ολίσθησης και από αυτό το σηµείο αρχίζει η διάχυση ενέργειας. Η τιµή της είναι αυτή που καθορίζει αν ο αποσβεστήρας θα λειτουργεί σαν µια απλή στήριξη που προσφέρει δυσκαµψία ή σαν ένα συστήµατα παθητικής διάχυσης ενέργειας, σε ένα σεισµό. Οι αποσβεστήρες τριβής συνήθως σχεδιάζονται έτσι ώστε να µην ολισθαίνουν στους ανέµους. Ο σχεδιασµός τους στοχεύει να ολισθαίνουν πριν από τη διαρροή των δοµικών στοιχείων κατά την διάρκεια ενός µεγάλου σεισµού. Σε γενικές γραµµές, το κατώτατο όριο είναι περίπου 130% του τέµνουσας αέρα και το ανώτατο όριο είναι το 75% της τέµνουσας κατά την οποία τα υπόλοιπα µέλη θα διαρρεύσουν. Συνεπώς η διαδικασία της επιλογής της τριβής ολίσθησης είναι ο σηµαντικότερος υπολογισµός που έχει να κάνει ο µηχανικός και η βέλτιστη επιλογή της µπορεί να επηρεάζει σηµαντικά την σεισµική απόκριση της κατασκευής.[2] Σύµφωνα µε µελέτες έχει αποδειχθεί ότι αποκλίσεις της τάξης του 25% εκατέρωθεν της βέλτιστης τριβής ολίσθησης έχουν αµελητέες επιδράσεις στην σεισµική απόκριση της κατασκευής, όπως φαίνεται και στο παρακάτω διάγραµµα[11].. Σχήµα 3. ιάγραµµα τριβής ολίσθησης- σεισµικής απόκρισης κτιρίου µε ενσωµατωµένους αποσβεστήρες τριβής.[11] Η επιλογή της τριβής ολίσθησης θα πρέπει επίσης να διασφαλίσει ότι µετά από ένα σεισµό, το κτίριο επιστρέφει κοντά στο αρχικό σηµείο της ευθυγράµµισης µε βάσει τις µετατοπίσεις που προκαλεί µία ελαστική δοµή.[2] Κύριο χαρακτηριστικό των αποσβεστήρων είναι οι βρόγχοι υστέρησης τους. Είναι ουσιαστικά διαγράµµατα που στον άξονα x έχουν την µετατόπιση ολίσθησης και στον άξονα ψ την δύναµη τριβής. Το εµβαδόν του βρόγχου δείχνει την ποσότητα της ενέργειας που διαχέεται σε κάθε κύκλο απόσβεσης. Ο βέλτιστος βρόγχος είναι ο θεωρητικός τετραγωνικός βρόγχος υστέρησης της θεωρίας ξηράς τριβής του Coulomb[6]. 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

129 Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών µε Αποσβεστήρες Τριβής Σχήµα 4. Θεωρητικός βρόγχος υστέρησης Coulomb [6] Σχήµα 5. Τυπικός βρόχος υστέρησης αποσβεστήρα[18] 4. ΕΙ Η ΑΠΟΣΒΕΣΤΗΡΩΝ ΤΡΙΒΗΣ Οι αποσβεστήρες τριβής αποτελούν µηχανισµούς οι οποίοι καταναλώνουν την ενέργεια µέσω τριβής. Η λειτουργία τους στηρίζεται στη µετατροπή ενέργειας σε θερµότητα λόγω της τριβής. Η διαφορά των διαφόρων ειδών αποσβεστήρων τριβής έγκειται στα υλικά που χρησιµοποιούν για τις επιφάνειες ολίσθησης καθώς και στο µηχανικό τρόπο λειτουργίας τους[4]. Στη συνέχεια παρατίθονται τα υπάρχοντα είδη των αποσβεστήρων τριβής. Αποσβεστήρες τριβής µε περιορισµένη ολίσθηση της κοχλιωτής σύνδεσης (Limited slip bolted) Αυτή η σύνδεση προορίζεται για το σεισµικό έλεγχο µεγάλων πλαισιακών κατασκευών. Ο σχεδιασµός της ενσωµατώνει τακάκια ανάµεσα σε χαλύβδινες πλάκες για να παρέχει µια σταθερή σχέση δύναµης-µετατόπισης[1]. Σχήµα 6. Λεπτοµέρειες από αποσβεστήρες τριβής µε περιορισµένη ολίσθηση της κοχλιωτής σύνδεσης και διάγραµµα δύναµης µετατόπισης [1],[6] 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

130 Λοτσάρης ηµήτριος, Παχής Αλέξανδρος Αποσβεστήρες περιστροφικών συνδέσµων τριβής (Pall friction dampers) Μια εναλλακτική σχεδίαση των αποσβεστήρων τριβής περιορισµένης ολίσθησης της κοχλιωτής σύνδεσης είναι οι αποσβεστήρες περιστροφικών συνδέσµων τριβής οι οποίοι χρησιµοποιούνται σε συνδυασµό µε χιαστί συνδέσµους σε πλαισιακές κατασκευές. Είναι ευρέως χρησιµοποιούµενοι και οι διατάξεις που αυτοί συναντώνται είναι: τύπου Χ, τύπου Λ, ή ως µονά διαγώνια στοιχεία. Οι διατάξεις Χ αποτελούνται από άκαµπτα στοιχεία που ενώνονται µε οριζόντια και κατακόρυφα στοιχεία. Αυτή η ένωση εξασφαλίζει ότι όταν το αξονικό φορτίο που ενεργεί κατά µήκος των στοιχείων είναι αρκετά µεγάλο για να ξεκινήσει η ολίσθηση στην εφελκυστική διαγώνιο, τότε η θλιβόµενη διαγώνιος θα ολισθήσει το ίδιο στην άλλη διεύθυνση[1]. Οι συνδέσεις αποτελούνται από δακτυλίους τριβής οι οποίοι κοχλιώνονται στους χαλύβδινους δίσκους και τους δακτυλίους διανοµής µε υψηλής αντοχής κοχλίες. Η αντοχή των διατάξεων εξαρτάται: από το υλικό, τις διαστάσεις των δακτυλίων τριβής και της πίεσης που εφαρµόζεται από τους κοχλίες[6]. Σχήµα 7. Οι Αποσβεστήρες περιστροφικών συνδέσµων τριβής (Pall) διάταξης Χ, Λ και διαγωνίων αντίστοιχα[15],[13],[6],[7]. Αποσβεστήρας τριβής Sumitomo Αυτοί οι αποσβεστήρες βρίσκουν εφαρµογή στην Ιαπωνία και έχουν χρησιµοποιηθεί κυρίως για την απορρόφηση των κραδασµών των τρένων. Τα τακάκια τριβής κράµατος χαλκού ολισθαίνουν κατά µήκος της εσωτερικής επιφάνειας µιας µεταλλικής κυλινδρικής σφήνας. Η απαιτούµενη δύναµη τριβής προέρχεται µέσω αυτής της κίνησης (είσοδος και έξοδος) της σφήνας[1]. Στις κατασκευές χρησιµοποιούνται για µέτριους σεισµούς και τοποθετούνται κάτω από την δοκό. Τέλος να σηµειωθεί ότι ο βρόγχος υστέρησης µιας 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

131 Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών µε Αποσβεστήρες Τριβής συσκευής Sumitomo µοιάζει µε το νόµο του Coulomb για την ξηρά τριβή[6]. Σχήµα 8. Αποσβεστήρες τριβής Sumitomo [6], [1]. Αποσβεστήρες τριβής µε διάχυση της ενέργειας συγκράτησης (Energy dissipating restraint) Αυτός ο τύπος αποσβεστήρα αρχικά σχεδιάστηκε ως µια σεισµική συσκευή για την υποστήριξη των σωληνώσεων σε πυρηνικές εγκαταστάσεις. Ο αποσβεστήρας αυτός προσφέρει στην κατασκευή τριβή και γραµµική δυσκαµψία[1]. Η διάχυση εµφανίζεται στη διεπιφάνεια µεταξύ µιας µπρούτζινης σφήνας τριβής και ενός χαλύβδινου κυλίνδρου. Ο συνδυασµός των σφηνών και του εσωτερικού ελατηρίου παράγει µια δύναµη τριβής ανάλογη της σχετικής µετατόπισης από το τέλος της συσκευής[6]. Σχήµα 9. Αποσβεστήρας τριβής µε διάχυση της ενέργειας συγκράτησης[1]. Αποσβεστήρες τριβής µε προεντεταµένους κοχλίες σε επιµήκης οπές (Slotted bolted connections) Αυτοί οι αποσβεστήρες προορίζονται για εφαρµογή σε ενισχυµένα πλαίσια. Στη διάταξη αυτή η ενέργεια διαχέεται µέσω της τριβής µεταξύ των ολισθαινόντων επιφανειών. Η 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

132 Λοτσάρης ηµήτριος, Παχής Αλέξανδρος διάταξη αυτή αποτελείται από µια κύρια χαλύβδινη πλάκα µε επιµήκης οπές παράλληλες στον άξονα φόρτισης ανάµεσα σε δύο εσωτερικές ορειχάλκινες πλάκες. Στις οπές τοποθετούνται προεντεταµένοι κοχλίες[1]. Οι ορειχάλκινες πλάκες χρησιµοποιούνται για να µειωθεί η φθορά των επιφανειών της διάταξης. Η ολίσθηση των διεπιφανειών πραγµατοποιείται και ως προς τις δυο διευθύνσεις της φοράς του αξονικού φορτίου[6]. Σχήµα 10. Αποσβεστήρας τριβής µε προεντεταµένους κοχλίες σε επιµήκης οπές[1] 5. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΑΠΟΣΒΕΣΤΗΡΩΝ ΤΡΙΒΗΣ Οι αποσβεστήρες τριβής καθιστούν προβλέψιµη και παράλληλα εύκολα επισκευάσιµη την αναµενόµενη σεισµική βλάβη[4]. Εκτός της απόσβεσης προσδίδουν και δυσκαµψία στο κτίριο για µεγαλύτερη σταθερότητα[2]. Οι επιδόσεις τους είναι ανεξάρτητες από την ταχύτητα της ταλάντωσης και την θερµοκρασία που αναπτύσσεται[2]. Σε σύγκριση µε τις συµβατικές µεθόδους ενίσχυσης υφιστάµενων κατασκευών οι βλάβες που προκαλούνται σε ένα κτίριο µετά το τέλος του σεισµού είναι οι ελάχιστες δυνατές λόγω της πολύ µικρής σχετικής µετακίνησης ορόφων και της διάχυσης ενέργειας[13]. Απαιτούν ελάχιστη συντήρηση και προσφέρουν µια αξιόπιστη λύση, στοιχεία που ικανοποιούν τις αρχιτεκτονικές και λειτουργικές ανάγκες του κτιρίου. Όλες οι µορφές ικανοποιούν τις ανάγκες φωτισµού και αερισµού των χώρων και κατάλληλες επιλογές, τις ανάγκες για ανοίγµατα, πόρτες ή παράθυρα[4]. Μπορούν να κρυφτούν µέσα σε τοίχους, δεν επηρεάζουν την αρχιτεκτονική του κτιρίου και αυτό τους κάνει να είναι ιδανική λύση σε ιστορικά κτίρια.[17] Η ικανότητα απορρόφησης-διάχυσης σεισµικής ενέργειας, η µεγάλη διάρκεια ζωής τους καθώς και η εύκολη δυνατότητα επισκευής, αντικατάστασης ή και επαναρύθµισής τους, καθιστούν ελκυστική την εφαρµογή τους[5]. Η συµπεριφορά τους δεν επηρεάζεται από το εύρος της ταλάντωσης, το φάσµα συχνότητας ή από τον αριθµό των κύκλων της κινητήριας δύναµης. Είναι ανεπηρέαστοι από το φαινόµενο της κόπωσης. Επίσης αποτρέπουν στην κατασκευή να εµφανιστεί το καταστροφικό φαινόµενο του συντονισµού[6]. εν απαιτούν κατεδαφίσεις, αντικαταστάσεις των µελών της κατασκευής και ενίσχυση της θεµελίωσης, δηλαδή δεν επεµβαίνουµε στον αρχικό φέρων οργανισµό[2]. Σε ένα υφιστάµενο κτίριο κατά την διάρκεια της τοποθέτησης των αποσβεστήρων δεν εµποδίζεται η λειτουργία του κτιρίου, γεγονός το οποίο έχει µεγάλη σηµασία σε 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

133 Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών µε Αποσβεστήρες Τριβής ορισµένες κατηγορίες κτιρίων, όπως νοσοκοµεία και εργοστάσια [8], [15]. Επίσης υπάρχει η δυνατότητα τοποθέτησης τους σε εναλλακτικά µέρη του κτιρίου χωρίς να είναι αναγκαία η κάθετη διάταξή τους στους ορόφους, καθώς υπάρχει το ενδεχόµενο να απαγορεύεται η εφαρµογή τους σε κάποιον χώρο του κτιρίου [7]. Λειτουργούν υπό συγκεκριµένο φορτίο σε οποιονδήποτε σεισµό και αυτό κάνει τη σχεδίαση των µελών και των συνδέσεών τους εύκολη και οικονοµική[2]. Επίσης γίνεται εύκολη η προσοµοίωση τους στην ανάλυση[15]. Όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήµα διαχέουν περισσότερη ενέργεια για δεδοµένη δύναµη σε σύγκριση µε τα άλλα είδη αποσβεστήρων ( ορθογώνιος βρόγχος υστέρησης). Όποτε χρειάζονται και λιγότεροι για την ενίσχυση µιας κατασκευής[2]. Σχήµα 11. Σύγκριση των βρόγχων υστέρησης διαφορετικών αποσβεστήρων[11] 6. ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΕΣ ΛΕΠΤΟΜΕΡΙΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΠΟ ΟΤΙΚΟΤΕΡΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΑΠΟΣΒΕΣΤΗΡΩΝ Στην παρούσα παράγραφο µελετάται η δυνατότητα σύνδεσης των στοιχείων αυτών (αποσβεστήρες τριβής) µε τον υπόλοιπο σκελετό Ο/Σ ενός κτιρίου µέσω της παρεµβολής κατάλληλου συνθετικού υλικού. Από αναλύσεις µε την µέθοδο push over διαπιστώθηκε ότι η παρεµβολή του συνθετικού υλικού αποµακρύνει κατά κανόνα, το ενδεχόµενο πρόωρης αστοχίας των ειδικών µεταλλικών αντισεισµικών στοιχείων (κατηγορία που ανήκουν οι αποσβεστήρες τριβής) από λυγισµό. Με την παρεµβολή κατάλληλου συνθετικού ελαστικού υλικού ανάµεσα στο σύστηµα απόσβεσης και στα στοιχείο Ο/Σ η ενεργοποίηση της ενίσχυσης γίνεται σε δεύτερο χρόνο, που εξαρτάται από το πάχος του παρεµβαλλόµενου υλικού και την δυσκαµψία του φορέα για την προστασία έναντι βλάβης και αστοχίας. Επίσης, επιτρέπει στην κατασκευή να διατηρήσει την πλαστιµότητά της. Η σύνδεση πρέπει να είναι αρκετά ισχυρή ώστε να µεταφέρει ακίνδυνα τα φορτία µεταξύ του µεταλλικού σκελετού των αποσβεστήρων και των στοιχείων Ο/Σ του πλαισίου. Αυτό ισχύει τόσο για τις νέες κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος, όσο και για τις διατάξεις που εφαρµόζονται µετά την ολοκλήρωση της κατασκευής, δηλαδή σε υφιστάµενα κτίρια. ιάφοροι τρόποι σύνδεσης και των δύο τύπων παρουσιάζονται στο Σχήµα 12. Ανάλογα µε την διάταξη που επιλέγεται προκύπτουν και οι απαιτήσεις ως προς την ποιότητα και τα λοιπά χαρακτηριστικά του συνθετικού υλικού. Το συνθετικό υλικό Silicone rubber(σύνηθες υλικό) παραµορφώνεται σε θλίψη σε διάφορους ανοδικούς κλάδους ανάλογα µε το ποσοστό των Graphite nanosheet που περιέχει. 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

134 Λοτσάρης ηµήτριος, Παχής Αλέξανδρος Σχήµα 12. Λεπτοµέρειες στα σηµεία σύνδεσης: α)στερεές συνδέσεις κατά την σκυροδέτηση νέας κατασκευής,. β)στερεές συνδέσεις σε υπάρχοντα πλαίσια. γ)συνδέσεις µε παρεµβολή συνθετικού υλικού και παράλληλη αγκύρωση.[3] α) β) γ) Το συνθετικό υλικό θα το προσοµοιώσουµε µε δύο παράλληλα στοιχεία GAP και την αγκύρωση µε στοιχείο HOOK, στοιχεία τα οποία παρέχει το πρόγραµµα SAP2000. Το συνθετικό υλικό λειτουργεί µόνο σε θλίψη, µε συντελεστή δυσκαµψίας k1, µέχρι µια µέγιστη επιτρεπτή συµπίεση που θεωρήθηκε ότι µπορεί να είναι ίση µε το ήµισυ του πάχους t του συνθετικού υλικού. Η αγκύρωση των ΕΜΑΣ στον πλαισιακό φορέα, θα προσοµοιωθεί όπως αναφέρθηκε µε στοιχείο HOOK το οποίο δεν ενεργοποιείται σε θλίψη, λειτουργεί µόνο σε εφελκυσµό. Γενικό συµπέρασµα είναι ότι το κατάλληλο πάχος στην επιλογή του ελαστικού υλικού προσδίδει την απαιτούµενη ευκαµψία στο σύστηµα πλαισιακός φορέαςαποσβεστήρας τριβής ώστε να επιτυγχάνεται η βέλτιστη συµπεριφορά, και να αποφεύγονται µε τον τρόπο αυτό, πρόωρες αστοχίες. Προσφέρεται έτσι στον φορέα Ο/Σ η δυνατότητα να αναπτύξει την πλάστιµη συµπεριφορά που διαθέτει.[3] Σε προηγούµενες µελέτες, διαπιστώθηκε η σηµαντική βελτίωση της σεισµικής συµπεριφοράς των κτιρίων όταν η τοποθέτηση των αποσβεστήρων γίνει σε τυχαία καθ ύψος θέση, σε σύγκριση µε την καθιερωµένη κατακόρυφη διάταξη των τοιχωµάτων. Η ερµηνεία βρίσκεται στο γνωστό φαινόµενο της «λειτουργίας προβόλου», που η κατακόρυφη διάταξη των αντισεισµικών τοιχωµάτων έχει ως αποτέλεσµα τα τοιχώµατα να είναι ουσιαστικά ανενεργά στους µεσαίους ορόφους και πολλές φορές να επιβαρύνουν τους υψηλούς ορόφους. Αποδείχθηκε δε ότι η τυχαία καθ ύψος διάταξη των αποσβεστήρων αίρει την αδυναµία αυτή. Από τις δυναµικές ανελαστικές αναλύσεις που έγιναν, υπολογίσθηκε ότι η αναµενόµενη σεισµική βλάβη των φορέων µε τυχαία τοποθέτηση των αποσβεστήρων, περιοριζόταν στο 30% περίπου της αντίστοιχης για κατακόρυφη διάταξη τοιχωµάτων.[4] 7.ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΠΟΣΒΕΣΤΗΡΩΝ ΤΡΙΒΗΣ ΣΕ ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΑ ΚΤΙΡΙΑ ΟΜΟΣΠΟΝ ΙΑΚΟ ΚΤΙΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ, ΟΤΤΑΒΑ ΚΑΝΑ ΑΣ Το κτίριο κτίστηκε το 1993 και το 2003 αποφασίσθηκε να προστεθεί ένας επιπλέον όροφος. Το κτίριο περιέχει πολύ ακριβά όργανα µεγάλης ευαισθησίας. Κατά τον ιδιοκτήτη είναι ζωτικής σηµασίας η προστασία των οργάνων και των µεγάλης αξίας επιστηµονικών αρχείων που στεγάζονται στο κτίριο. Η αποφυγή κατάρρευσης λοιπόν σε αυτή την περίπτωση δεν είναι επαρκής, καθώς ζηµία στα εξαρτήµατα θα προκαλούσε πολλαπλάσιο κόστος από την ίδια την αξία του κτιρίου. Αυτό οδήγησε στην επιλογή νέας αλλά και οικονοµικής τεχνολογίας. Επιλέχθηκε τελικώς η χρήση των αποσβεστήρων τριβής τύπου Pall, διότι ήταν η µόνη οικονοµικά εφικτή λύση που µπορούσε να εγγυηθεί µηδενικές ζηµιές στα όργανα που στεγάζονται κατά την διάρκεια µεγάλου σεισµού. Σηµαντικό θεωρήθηκε επίσης ότι αντιθέτως µε την λύση προσθήκης τοιχωµάτων από Ο/Σ περιµετρικά του κτιρίου 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

135 Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών µε Αποσβεστήρες Τριβής οι αποσβεστήρες δεν ήταν απαραίτητο να τοποθετηθούν κάθετα. Αυτό έδωσε σηµαντική ελευθερία στον αρχιτεκτονικό σχεδιασµό όπως και το γεγονός ότι τοποθετήθηκαν ενδιάµεσα σε τοίχους. Παρουσιάζονται το σχέδιο µε τις διαστάσεις του κτιρίου και το τρισδιάστατο σχέδιο όπου φαίνονται οι τοποθεσίες εφαρµογής των αποσβεστήρων( τα χιαστί µέλη, µωβ χρώµα). Σχήµα 13. Πρόσοψη κτιρίου[14] Σχήµα 14. Κάτοψη κτηρίου[14] Σχήµα 15. Τρισδιάστατη απεικόνιση του κτιρίου[14] Ο κανονισµός για ηµιστατικό σχεδιασµό στο NBCC( κατασκευαστικός κώδικας Καναδά) είναι βασισµένος στην πλαστιµότητα των µελών του κτιρίου και δεν υπάρχουν αναφορές στους αποσβεστήρες τριβής. Ωστόσο το παράρτηµα J του κανονισµού επιτρέπει την εφαρµογή των αποσβεστήρων για την παραλαβή της σεισµικής φόρτισης. Πρέπει όµως στη µελέτη ο µηχανικός να αποδείξει ότι το κτίριο συµπεριφέρεται τουλάχιστον το ίδιο καλά σαν να είχε σχεδιαστεί µε τις σεισµικές απαιτήσεις του NBCC. Χρησιµοποιήθηκε λοιπόν µη γραµµική ανάλυση χρονοϊστορίας µε το πρόγραµµα DRAIN-TABS. Ο σχεδιασµός των αποσβεστήρων στο πρόγραµµα ήταν πολύ απλώς. Αφού οι βρόγχοι υστέρησης του αποσβεστήρα είναι 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

136 Λοτσάρης ηµήτριος, Παχής Αλέξανδρος παρόµοιοι µε οποιοδήποτε ελαστοπλαστικού υλικού, η τριβή ολίσθησης µπορεί να θεωρηθεί σαν το όριο διαρροής ενός ελαστοπλαστικού µέλους. Ο θεωρητικός σεισµός της ανάλυσης ήταν ένα µείγµα 3 µεγάλων σεισµών οι οποίοι έδιναν µέγιστη επιτάχυνση εδάφους 0,2g. Η ανάλυση πραγµατοποιήθηκε σε Χ-Υ-45 ο και υπολογίστηκε ότι χρειάζονται 23 αποσβεστήρες µε 300ΚΝ τριβή ολίσθησης. Η µέγιστη ολίσθηση των αποσβεστήρων ήταν 13mm. Παρουσιάζονται τα διαγράµµατα χρονοϊστορίας της παραµόρφωσης της οροφής στο σχήµα. Η µέγιστη µετατόπιση ήταν 35mm. Η µέγιστή σχετική µετακίνηση ορόφων ήταν 0,5%, και ο κανονισµός ορίζει ότι για κτίρια που χρειάζεται να είναι λειτουργικά ακόµα και µετά από ισχυρό σεισµό το όριο είναι 1%. Σε τόσο πολύ µικρές σχετικές µετακινήσεις αναµένονται πολύ λίγες ζηµιές, γεγονός που ήταν και ο κύριος στόχος[14]. Σχήµα 16. Χρονοϊστορία της παραµόρφωσης σους συνδέσµους των αποσβεστήρων[14] Σχήµα 17. Χρονοϊστορία της παραµόρφωσης στην οροφή του κτιρίου[14] MUCTC BUILDING, PALAIS DES CONGRAIS, ΜΟΝΤΡΕΑΛ ΚΑΝΑ ΑΣ Το δεκαόροφο κτίριο MUCTC χτίστηκε το 1928 και είναι ένα οικοδόµηµα από οπλισµένο σκυρόδεµα ιστορικής σηµασίας. Το 2000 αποφασίστηκε επέκταση του κτιρίου περιέχοντας το κέντρο συνεδριάσεων Palais des Gongrais. Αυτή η επέκταση επρόκειτο να υλοποιηθεί περιµετρικά ενσωµατώνοντας το κτίριο MUCTC. Όπως, όµως, τα περισσότερα οικοδοµήµατα της ηλικίας του η αντίσταση του στον σεισµό ήταν σηµαντικά µη επαρκής µε βάση τις σηµερινές διατάξεις, οπότε σεισµική αναβάθµιση θεωρήθηκε αναγκαία. Συµβατικές µέθοδοι προτάθηκαν όπως τοιχώµατα οπλισµένου σκυροδέµατος ή χρήση µεταλλικών δικτυωτών συστηµάτων αλλά απορρίφθηκαν διότι απαιτούσαν την ακριβή, δύσκολη και 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

137 Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών µε Αποσβεστήρες Τριβής χρονοβόρα διαδικασία ενίσχυσης των θεµελίων. Επίσης το αποτέλεσµα δεν θα ήταν αισθητικώς άρτιο για ένα ιστορικό κτίριο. Η διάχυση της σεισµικής ενέργειας σε συνδυασµό µε την προσθήκη δυσκαµψίας που προσφέρουν οι αποσβεστήρες τριβής θεωρήθηκε η προτιµότερη λύση. Αποσβεστήρες τύπου Pall diagonal χρησιµοποιήθηκαν, καθώς ενώ παρέχουν την σεισµική ενίσχυση που απαιτήθηκε, δεν µεταφέρουν φορτία βαρύτητας και δεν χρειάστηκε ενίσχυση θεµελίων. Επίσης έδωσαν µεγάλη ευχέρεια σχεδιασµού στους αρχιτέκτονες κυρίως επειδή δεν χρειάζεται να τοποθετούνται κάθετα. Με τις συµβατικές µεθόδους µπορεί η κατάρρευση σε ένα µείζον σεισµό να αποφευγόταν αλλά θα εµφανίζονταν τόσο σοβαρές ζηµιές µη επισκευάσιµες και το κτίριο θα θεωρείτο ενδεχοµένως κατεδαφιστέο. Με τους αποσβεστήρες τριβής για τον ίδιο σεισµό οι βλάβες του κτιρίου µειώνονται στο ελάχιστο. Επίσης τα τοιχώµατα προσδίδουν στο κτίριο πολύ µεγάλη δυσκαµψία και γενικά δύσκαµπτες κατασκευές προσελκύουν µεγαλύτερες εδαφικές επιταχύνεις µε αποτέλεσµα να αυξάνεται η τέµνουσα βάσης. Εποµένως ότι πλεονεκτήµατα πήραµε αυξάνοντας την δυσκαµψία κινδυνεύουµε να το χάσουµε από την εισαγωγή µεγαλύτερης ενέργειας σεισµού στην κατασκευή. Ο διασκεδασµός της σεισµικής ενέργειας θεωρήθηκε, µια χρηστική και οικονοµική λύση. Σχήµα 18. Φωτογραφίες και σχέδια του MCTCC BUILDING-PALAIS DES CONGRES[17]. Στη διάρκεια των τελευταίων ετών, αρκετές κατευθύνσεις για την ανάλυση και τη διαδικασία σχεδιασµού των συστηµάτων παθητικής διάχυσης της ενέργειας έχουν αναπτυχθεί στις ΗΠΑ. Όπως και στο προηγούµενο παράδειγµα σχεδιάστηκε το κτίριο ακολουθώντας το παράρτηµα J του NBCC(κώδικας κατασκευών Καναδά) σε συνδυασµό µε το κείµενο NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings, FEMA 356 / 357, το οποίο εκδόθηκε το Αυτές οι κατευθυντήριες γραµµές και τις διατάξεις του NBCC και NEHRP χρησίµευσαν ως βάση για την ανάλυση και το σχεδιασµό του MUCTC κτιρίου, έγινε λοιπόν µη-γραµµική ανάλυση χρονοϊστορίας. Οι οδηγίες απαιτούν τα κτίρια που ενσωµατώνουν συσκευές διάχυσης ενέργειας να αξιολογούνται για δύο είδη σεισµών. 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

138 Λοτσάρης ηµήτριος, Παχής Αλέξανδρος Ένα βασικό σεισµό (BCE) µε πιθανότητα εµφάνισης 10% σε 50 χρόνια και τον µέγιστο σεισµό σχεδιασµού (MCE) µε πιθανότητα εµφάνισης 2% σε 50 χρόνια. θεωρείται ότι αν ακολουθηθούν σωστά οι κατασκευαστικές λεπτοµέρειες το κτίριο θα έχει σηµαντική προστασία και για ισχυρότερο σεισµό από τον ΜCΕ. Κατά τον ΒCΕ βεβαιώνεται ότι όλα τα µέλη της κατασκευής δεν θα έχουν υπερβεί τις αντοχές τους και οι παραµορφώσεις θα είναι σε λογικά πλαίσια. Ο ΜCΕ χρησιµοποιείται για να οριστεί η µέγιστη επιτρπόµενη µετατόπιση των αποσβεστήρων τριβής. Αξιοσηµείωτο είναι ότι οι NEHRP κατευθυντήριες οδηγίες ορίζουν ότι οι αποσβεστήρες σχεδιάζονται για το 130% της µετατόπισης για ΜCΕ και οι συνδέσεις τους σχεδιάζονται για το 130% της τριβής ολίσθησης των αποσβεστήρων. Οι τριβές ολίσθησης, επίσης δεν θα πρέπει να διαφέρουν περισσότερο από 15% στους αποσβεστήρες µεταξύ τους. Τελικά υπολογίσθηκε ότι χρειάζονται 88 αποσβεστήρες τριβής τύπου Λ και µονών διαγωνίων στοιχείων µε τριβή ολίσθησης ΚΝ. Προκειµένου να συγκριθεί η αποτελεσµατικότητα των πλαισίων µε αποσβεστήρες τριβής (FBF), ανάλυση του κτιρίου έγινε επίσης χρησιµοποιώντας δύσκαµπτες στηρίξεις στα πλαίσια (RBF). Τα αποτελέσµατα είναι τα εξής: α) Παραµορφώσεις χρονοϊστορίας παρουσιάζονται στο σχήµα 19 όπου φαίνεται καθαρά η απόσβεση. Για τα FBF η µέγιστη παραµόρφωση είναι 100mm, ενώ για τα RBF είναι 105mm. Η µόνιµη παραµόρφωση των FBF µετά το τέλος του σεισµού είναι αµελητέα. β)μέγιστη σχετική µετακίνηση ορόφων µε FDF είναι 0,7%, ενώ οι κώδικες επιτρέπουν µέχρι 2%. Σε τόσο χαµηλές παραµορφώσεις δεν αναµένονται ζηµιές κατά τον MCE. γ) Ο βρόγχος υστέρησης παρουσιάζεται στο σχήµα 20 µέγιστη ολίσθηση 8mm. Αντιθέτως µε τα RBF, στα FBF η δύναµη που αναπτύσσεται στα µέλη τους είναι γνωστή και σταθερή για όλους τους σεισµούς. Σηµαντικά πλεονεκτήµατα είναι ότι η δύναµη αυτή ορίζεται από τον µελετητή και όχι από τον σεισµό. δ) Παραµορφώσεις χρονοϊστορίας παρουσιάζονται στο σχήµα 21.Η µόνιµη παραµόρφωση µετά τον σεισµό είναι αµελητέα. ε)τέλος, τα αξονικά φορτία στα υποστυλώµατα των πλαισίων παρουσιάζονται στο σχήµα 22. Παρατηρείται ότι τα φορτία µε FDF είναι κατά 40% µικρότερα από τα RBF. Η εφαρµογή των RBF θα οδηγούσε σε απαίτηση ενίσχυσης των υποστυλωµάτων και των θεµελίων[17]. Σχήµα 19. Χρονοϊστορία των µετακινήσεων στη στέγη[17]. 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

139 Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών µε Αποσβεστήρες Τριβής Σχήµα 20. Βρόχος υστέρησης ενός τυπικού 600kN αποσβεστήρα τριβής[17] Σχήµα 21. Χρονοϊστορία ολίσθησης ενός τυπικού 600kN αποσβεστήρα τριβής[17] Σχήµα 12. Αξονικά φορτία υποστυλωµάτων σε κάθε όροφο[17] ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ McCONNEL Η βιβλιοθήκη McConnel του πανεπιστηµίου Concordia στο Montreal του Καναδά αποτελείται από 2 κτίρια των 6 κσι 10 πατωµάτων που είναι διασυνδεδεµένα µε µια στοά. Η εξωτερική θέα της κατασκευής φαίνεται στο σχήµα 23. Η τοποθέτηση αποσβεστήρων τριβής στην κατασκευή εξετάστηκε στην Pall το Στη βιβλιοθήκη τοποθετήθηκαν 143 αποσβεστήρες. Οι αρχιτέκτονες επέλεξαν να εκθέσουν εξήντα από τους αποσβεστήρες έτσι ώστε να φαίνεται η αισθητική τους. Αυτό φαίνεται και στο σχήµα 24. Μια σειρά από µη γραµµικές αναλύσεις χρησιµοποιήθηκαν για να καθορίσουν το βέλτιστο κρίσιµο φορτίο ολίσθησης των συσκευών, το οποίο κυµαίνεται από 600 έως 700 kn ανάλογα µε τη θέση τους µέσα στην κατασκευή. Για τις τρισδιάστατες χρονοϊστορικές αναλύσεις δηµιουργήθηκε τεχνητό σεισµικό σήµα µε ένα ευρύ φάσµα συχνοτήτων και η µέγιστη επιτάχυνση του εδάφους καθορίστηκε στα 0.18g για να αντιπροσωπεύσει την αναµενόµενη κίνηση του εδάφους στο Montreal. Κάτω από αυτό το επίπεδο διέγερσης, µια εκτίµηση του ισοδύναµου 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

140 Λοτσάρης ηµήτριος, Παχής Αλέξανδρος λόγου απόσβεσης της κατασκευής µε συσκευές τριβής είναι περίπου 50%. Επιπλέον, για αυτή τη βιβλιοθήκη η χρήση αποσβεστήρων τριβής είχε ως αποτέλεσµα να µειωθεί το συνολικό κόστος της κατασκευής κατά 1,5%. Οι συντάκτες σηµείωσαν ότι θα ήταν αναµενόµενη µια υψηλότερη εξοικονόµηση σε µια περισσότερο ευάλωτη σεισµικά περιοχή[1]. Σχήµα 23. Βιβλιοθήκη McConnel[1] Σχήµα 24. Εµφανής αποσβεστήρας τριβής[1] 8.ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η χρήση των αποσβεστήρων τριβής απέδειξε ότι παρέχει µια πρακτική, αποτελεσµατική, οικονοµική και µη χρονοβόρα λύση στη σεισµική ενίσχυση. Αυτή η νέα µέθοδος µετά από πολλές µελέτες και εφαρµογές έχει δείξει ότι το κτίριο που τους ενσωµατώνει θα λειτουργήσει ικανοποιητικά στην περίπτωση ενός µείζονος σεισµού. Λόγω των χαρακτηριστικών τους έχουν ευρεία χρήση, ήδη κάποιες χώρες επωφελούνται από την τεχνολογία τους όπως οι Η.Π.Α., ο Καναδάς και η Ιαπωνία. Πιστεύουµε ότι και στην Ελλάδα της έντονης σεισµικής δράσης θα πρέπει να προτιµάται η λύση αυτή, αυτό όµως απαιτεί την δηµιουργία κανονισµών, την κατάλληλη εκπαίδευση τεχνικών συνεργείων και την τήρηση των προαναφερθέντων κατασκευαστικών λεπτοµερειών. 9.ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] T. T. Soong, G. F. Dargush, Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering, pp.5-34, , [2] Avtar PALL and R. Tina PALL, PERFORMANCE-BASED DESIGN USING PALL FRICTION DAMPERS AN ECONOMICAL DESIGN SOLUTION, 13 th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, B.C., Canada, Paper No. 1955, August 1-6, 2004 [3] Πανίκος ΠΑΠΑ ΟΠΟΥΛΟΣ, Eνίσχυση κτιρίων οπλισµένου σκυροδέµατος µε ειδικά µεταλλικά αντισεισµικά στοιχεία, τοποθετηµένα µε παρεµβολή ειδικού συνθετικού υλικού, 3 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Αντισεισµικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισµολογίας, Άρθρο 1936, 5-7 Νοεµβρίου, 2008 [4] Πανίκος Παπαδόπουλος, Φώτιος Γραβαλάς, Ελαχιστοποίηση των στροφών των πολυώροφων ασύµµετρων κτιρίων από Ο/Σ µε την τοποθέτηση ειδικών µεταλλικών 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

141 Ενίσχυση Υφιστάµενων Κατασκευών µε Αποσβεστήρες Τριβής αντισεισµικών στοιχείων, 3 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Αντισεισµικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισµολογίας, Άρθρο 1901, 5-7 Νοεµβρίου, 2008 [5] Πανίκος Παπαδόπουλος, Ευθυµία Μητσοπούλου, Πρόταση προµελέτης µε βάση τις οριακές µετακινήσεις πλαισίων φορέων οπλισµένου σκυροδέµατος ενισχυµένων µε ειδικά µεταλλικά αντισεισµικά στοιχεία, 3 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Αντισεισµικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισµολογίας, Άρθρο 1902, 5-7 Νοεµβρίου, 2008 [6] [7]A. MALHOTRA, D.CARSON, P. GOPAL, A. BRAIMAH, G. Di GIOVANNI, and R. PALL, FRICTION DAMPERS FOR SEISMIC UPGRADE OF ST. VINCENT HOSPITAL, OTTAWA, 13 th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, B.C., Canada, Paper No. 1952, August 1-6, 2004 [8] Vail, C., Hubbell, J., (2002) "Structural Upgrade of Boeing Commercial Airplane Factory at Everett, WA", Proceedings, Applied Technology Council (ATC 17-2), Seminar on Response Modification Technologies for Performance-Based Seismic Design, Los Angeles. [9] Balazic, J., Guruswamy, G., Elliot, J., Pall, R., Pall, A., (2000) "Seismic Rehabilitation of Justice Headquarters Building, Ottawa, Canada", Proceedings, Twelfth World Conference on Earthquake Engineering, Auckland, Paper No [10]Bharat SOLI, Dennis BAERWALD, Pete KREBS, R Tina PALL, FRICTION DAMPERS FOR SEISMIC CONTROL OF AMBULATORY CARE CENTER, SHARP MEMORIAL HOSPITAL, SAN DIEGO, CA, 13 th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, B.C., Canada, Paper No. 1953, August 1-6, 2004 [11] [12] IAN D. AIKEN, JAMES KELLY AND S. PALL SEISMIC RESPONSE OF A NINE- STORY STEEL FRAME WITH FRICTION DAMPED CROSS-BRACING [13] Pasquin, C., Leboeuf, N., Pall, R., "Friction Dampers for Seismic Rehabilitation of Eaton's Building, Montreal", Proceedings, Thirteenth World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, Paper #1949 [14] Palanimuthu (Ravi) SUNDARARAJ, R. Tina PALL, SEISMIC CONTROL OF FEDERAL ELECTRONICS RESEARCH BUILDING, OTTAWA, 13 th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, B.C., Canada, Paper No. 2016, August 1-6, 2004 [15] Shao, D., Pall, A., Soli, B., "Friction Dampers for Seismic Upgrade of A 14-Story Patient Tower With A 36-Foot Tall Soft-Story", Proceedings, 8th US National Conference on Earthquake Engineering, San Francisco, April 2006, Paper # 90 [16] Hale, T., Pall, R., (2000), "Seismic Upgrade of the Freeport Water Reservoir, Sacramento, California", Proceedings, Twelfth World Conference on Earthquake Engineering, Auckland, NZ. Paper No. 269 [17] Serge VEZINA, R. Tina PALL, SEISMIC RETROFIT OF MUSTIC BUILDING USING FRICTION DAMPERS,PALAIS DES CONGRES, MONTREAL, 13 th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, B.C., Canada, Paper No. 1946, August 1-6, 2004 [18] Chang, C., Pall, A., Louie, J., "The Use of Friction Dampers for Seismic Retrofit of The Monterey County Government Center", Proceedings, 8th US National Conference on Earthquake Engineering, San Francisco, April 2006, Paper # ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

142 Λοτσάρης ηµήτριος, Παχής Αλέξανδρος 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

143 Σεισµική Μόνωση Υφισταµένων Κατασκευών µε Ελαστοµερή Συστήµατα και ιερεύνηση της Ανταγωνιστικότητας των Ελαστοµεταλλικών Εφεδράνων µε Πυρήνα Μολύβδου LRB ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΜΟΝΩΣΗ ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΜΕ ΕΛΑΣΤΟΜΕΡΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΕΛΑΣΤΟΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΕΦΕ ΡΑΝΩΝ ΜΕ ΠΥΡΗΝΑ ΜΟΛΥΒ ΟΥ LRB ΚΙΤΣΙΚΟΠΟΥΛΟΥ ΗΜΗΤΡΑ Περίληψη Η παρούσα εργασία πραγµατεύεται το θέµα της ενίσχυσης κτιρίων µε την µέθοδο της σεισµικής µόνωσης και συγκεκριµένα χρησιµοποιώντας ως µέσο αυτής τα ελαστοµερή συστήµατα. Στην εισαγωγή παρουσιάζεται η φιλοσοφία της σεισµικής µόνωσης ως τρόπος εφαρµογής του αντισεισµικού σχεδιασµού των κατασκευών. Ακολουθεί η ανάπτυξη θεωρητικού υπόβαθρου ώστε να καταστούν σαφείς οι τεχνικοί όροι που χρησιµοποιούνται στην σεισµική µόνωση. Στην συνέχεια η εργασία επικεντρώνεται στην µέθοδο εφαρµογής εφεδράνων ελαστοµερών συστηµάτων µε εξέχουσα την εκµετάλλευση πυρήνων µολύβδου. Επίσης παρατίθενται παραδείγµατα στα οποία έγινε χρήση ελαστοµεταλλικών εφεδράνων µε πυρήνα µολύβδου. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η συµβατική τεχνική που ακολουθείται στην ενίσχυση υφισταµένων κατασκευών που έχουν υποστεί βλάβες από σεισµούς, επιβάλλει την επέµβαση µε σκοπό την αύξηση της αντοχής των µελών που αναλαµβάνουν τις σεισµικές δράσεις µε ένα πολύ σηµαντικό όµως και αναπόφευκτο µειονέκτηµα, την αύξηση των µαζών, άρα και των αδρανειακών δυνάµεων που ασκούνται στην κατασκευή. Σε αυτό το σηµείο έρχεται µια εναλλακτική και συγχρόνως ελκυστική για τα πλεονεκτήµατά της, µέθοδος αντισεισµικού σχεδιασµού, αυτή της σεισµικής µόνωσης. Πρόκειται δηλαδή για την εφαρµογή µέσων ελέγχου της σεισµικής δόνησης που καταλήγει σε µία κατασκευή, και υλοποιείται µε την τοποθέτηση εύκαµπτων στοιχείων στην διεπιφάνεια µεταξύ ανωδοµής και θεµελίωσης, τους σεισµικούς µονωτήρες. Η µέθοδος αυτή, η οποία έχει εξελιχθεί αρκετά τις δύο τελευταίες δεκαετίες, έχει εφαρµοστεί σε έργα διαφόρων τύπων όπως κτιριακά (νοσοκοµεία, σχολεία), γέφυρες, δεξαµενές πυρηνικών αντιδραστήρων. Το αποτέλεσµα; Προκύπτουν κατασκευές οικονοµικότερες και πιο ελαφριές λόγω της µείωσης της απαίτησης σε σεισµική επάρκεια εφόσον είναι ελεγχόµενες και προκαθορισµένες οι φορτίσεις που µεταβιβάζονται στην κατασκευή. Αφενός µεν αποτρέπεται η κατάρρευση της κατασκευής, αφετέρου δε µειώνονται σηµαντικά οι βλάβες προκαλούµενες από σεισµούς µέτριας έντασης. 2. ΑΡΧΕΣ ΚΑΙ ΣΤΟΧΟΙ ΤΗΣ ΜΕΘΟ ΟΥ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΜΟΝΩΣΗΣ Η εφαρµογή των µεθόδων σεισµικής µόνωσης βάσης έχει ως στόχο την διαφοροποίηση της παλινδροµικής κίνησης (ταλάντωση) της ανωδοµής σε σχέση µε την ισχυρή κίνηση του εδάφους, συνεπώς και της θεµελίωσης. Επιδιώκουµε οπότε, την ελαχιστοποίηση της ενέργειας που εισάγεται στην κατασκευή, εν µέρει αντανακλώντας την και εν µέρει αποσβένοντας την ήδη από το επίπεδο της θεµελίωσης [1]. Αποτέλεσµα αυτών είναι η µείωση α) της σχετικής µετακίνησης των ορόφων και β) της απόκρισης της ανωδοµής, που οφείλονται αµφότερες σε οριζόντιες σεισµικές δράσεις. Επίσης επιτυγχάνεται η συγκέντρωση των διαρροών στην στάθµη του συστήµατος της µόνωσης. Χαρακτηριστική είναι η διαφοροποίηση στην εικόνα παραµόρφωσης του φορές µεταξύ πακτωµένης και µονωµένης κατασκευής, όπως αυτό που φαίνεται στην σχήµα o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος,

144 Κιτσικοπούλου ήµητρα Σχήµα 1. Εικόνες παραµόρφωσης συµβατικής κατασκευής και κατασκευής µε µονωµένη βάση [2] 3. ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ Η µείωση της σχετικής µετακίνησης των ορόφων επιτυγχάνεται µε τους ακόλουθους τρόπους: α) Με αύξηση της θεµελιώδους ιδιοπεριόδου της κατασκευής έτσι ώστε ο ενδεχόµενος σεισµός να έχει περίοδο διεγέρτη απόµακρυσµένη από την ιδιοπερίοδο της κατασκευής, αποτρέποντας την πιθανότητα κατάρρευσης λόγω συντονισµού. Εποµένως, έχουµε µείωση της σεισµικής δράσης κατά 5-10 φορές, και παράλληλα αυξάνονται οι πλευρικές µετακινήσεις που όµως συγκεντρώνονται στο επίπεδο της µόνωσης (εικόνες 2, 3) β) Με αύξηση της ικανότητας απόσβεσης µε την οποία επιτυγχάνεται µείωση των µετακινήσεων και ενδεχοµένως και των σεισµικών δυνάµεων. γ) Με συνδυασµό κατά προτίµηση- των ευνοϊκών αποτελεσµάτων και των δύο παραπάνω µεθόδων. Σχήµα 2. Επίδραση της αύξησης της ιδιοπεριόδου στην τέµνουσα βάσης σχεδιασµού (φάσµα επιταχύνσεων) [2] 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος,

145 Σεισµική Μόνωση Υφισταµένων Κατασκευών µε Ελαστοµερή Συστήµατα και ιερεύνηση της Ανταγωνιστικότητας των Ελαστοµεταλλικών Εφεδράνων µε Πυρήνα Μολύβδου LRB Σχήµα 3. Επίδραση της αύξησης της ιδιοπεριόδου στις µετακινήσεις σχεδιασµού (φάσµα µετακινήσεων) [2] Επίσης επιδιώκουµε ευκαµψία για ισχυρές σεισµικές δράσεις αλλά ταυτόχρονα ακαµψία της κατασκευής για πλευρικά φορτία ανεµοπιέσεων. 3.1 ΠΡΟΥΠΟΘΕΣΕΙΣ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΜΟΝΩΣΗΣ Οι προϋποθέσεις που πρέπει να πληρούνται [3] είναι εν γένει: 1) To έδαφος θεµελίωσης της κατασκευής να µην ευνοεί εδαφικές δονήσεις µε προεξέχουσες τις µεγάλες περιόδους, γεγονός που χαρακτηρίζει τα µαλακά εδάφη (σχήµα 4). 2) Το κτίριο να είναι σχετικά δύσκαµπτο, δηλαδή να έχει ιδιοπερίοδο µικρότερη από 1,5 έως 2 sec. Γεγονός που χαρακτηρίζει οπωσδήποτε τις δύσκαµπτες κατασκευές, αλλά και ένα ευρύ φάσµα σχετικά εύκαµπτων κατασκευών. 3) Το µέγεθος των ανεµοφορτίων σχεδιασµού, καθώς και των υπόλοιπων µη σεισµικών πλευρικών φορτίων να µην ξεπερνά το 10% του βάρους του κτιρίου (F ανέµ < 10% W κτιρ.) Σχήµα 4. Ευµενής ή δυσµενής επίδραση της σεισµικής µόνωσης στην τέµνουσα βάσης ανάλογα µε τις εδαφικές συνθήκες [2] 3.2 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΜΟΝΩΣΗΣ Στην παρούσα παράγραφο περιγράφονται οι πλέον κοινοί τρόποι συστηµάτων σεισµικής µόνωσης που χρησιµοποιούνται ευρέως σε έργα ανά τον κόσµο. Γενικά, τα συστήµατα αυτά κατατάσσονται σε δύο κατηγορίες: α) στα ελαστοµερή συστήµατα και β) στα συστήµατα 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος,

146 Κιτσικοπούλου ήµητρα τριβής (ή ολίσθησης). Στα ελαστοµερή συστήµατα περιλαµβάνονται i) τα ελαστοµεταλλικά εφέδρανα χαµηλής απόσβεσης (Low Damping Rubber Bearings - LDRB), ii) τα ελαστοµερή εφέδρανα υψηλής απόσβεσης (High Damping Rubber Bearings - HDRB), iii) τα ελαστοµερή εφέρανα µε πυρήνα µολύβδου (Lead Rubber Bearings - LRB). Εν συντοµία αναφέρουµε ότι τα συστήµατα τριβής περιλαµβάνουν i) µηχανισµούς µε σφαιρική επιφάνεια ολίσθησης και ii) µηχανισµούς µε επίπεδη επιφάνεια ολίσθησης ΕΛΑΣΤΟΜΕΡΗ ΣΕΙΣΤΗΜΑΤΑ Συνιστούν τον συνηθέστερο τύπο συστηµάτων που έχουν εφαρµοστεί ως σεισµική µόνωση. Αποτελούνται από επάλληλες στρώσεις ελαστοµερούς υλικού (Neoprene) ειδικά επεξεργασµένου (vulvanized) ώστε να καταστεί ανεκτικότερο στις περιβαλλοντικές επιδράσεις- στο οποίο συγκολλώνται και εγκιβωτίζονται πλήρως λεπτά χαλύβδινα φύλλα προκειµένου να εξασφαλιστεί υψηλή δυσκαµψία στην κατακόρυφη διεύθυνση για την ανάληψη των κατακόρυφων φορτίων και να περιοριστούν σηµαντικά οι πλευρικές παραµορφώσεις (λόγω φαινοµένου Poisson) του ελαστοµερούς. Η σύνδεση των εφεδράνων µε την ανωδοµή και την θεµελίωση επιτυγχάνεται µέσω µεταλλικών πλακών πάνω στις οποίες κοχλιώνονται βλήτρα τοποθετηµένα στα στοιχεία σύνδεσης πάνω και κάτω από τα εφέδρανα. ιατίθενται τόσο σε ορθογωνικές όσο και σε κυκλικές διατοµές διαφόρων διαστάσεων ανάλογα µε τον σχεδιασµό και τις απαιτήσεις που καλούνται να καλύψουν. Στην σχήµα 5 φαίνεται µια τυπική διατοµή ενός τέτοιου εφεδράνου. Σχήµα 5. Τυπική διατοµή ελαστοµεταλλικών εφεδράνων χαµηλής ή υψηλής απόσβεσης χωρίς πυρήνα µολύβδου [2] Τα ελαστοµερή εφέδρανα διακρίνονται ανάλογα µε το ποσοστό της απόσβεσης που προσδίδουν στο σύστηµα σε εφέδρανα υψηλής και χαµηλής απόσβεσης. Η απόσβεση, που εκφράζεται ως ένα ποσοστό % επί της κρίσιµης τιµής, προσδίδεται από το ελαστοµερές, το οποίο παράλληλα προσφέρει υψηλή πλευρική ευκαµψία και την απαιτούµενη δύναµη επαναφοράς για την επανακέντρωσή τουµετά την επιβολή οριζόντιας µετατόπισης, ενώ στα ελαστοµεταλλικά εφέδρανα µε πυρήνα µολύβδου η υψηλή τιµή τα απόσβεσης οφείλεται στην παρουσία µολύβδου. Ακολούθως αναφέρονται επιγραµµατικά τα µηχανικά χαρακτηριστικά των 3 τύπων ελαστοµερών συστηµάτων σεισµικής µόνωσης, καθώς και τα πλεονεκτήµατα κα µειονεκτήµατα που παρουσιάζουν ΕΦΕ ΡΑΝΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ ( LDRB ) Στα ελαστοµερή συστήµατα χαµηλής απόσβεσης ο ισοδύναµος λόγος ιξώδους απόσβεσης ζ είναι µικρότερος του 6%, µε συνηθέστερη τιµή το 5%. Η συµπεριφορά τους µπορεί να 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος,

147 Σεισµική Μόνωση Υφισταµένων Κατασκευών µε Ελαστοµερή Συστήµατα και ιερεύνηση της Ανταγωνιστικότητας των Ελαστοµεταλλικών Εφεδράνων µε Πυρήνα Μολύβδου LRB προσεγγιστεί σαν συµπεριφορά γραµµικών ελαστικών στοιχείων µε ισοδύναµη ελαστική δυσκαµψία K eff για διατµητικές παραµορφώσεις ίσες ή και µεγαλύτερες του 100% σύµφωνα µε την εξίσωση (1): K eff = G b *A b /t e (1) όπου G b είναι το µέτρο διάτµησης του ελαστοµερούς, A b η επιφάνεια του και t e το συνολικό του πάχος. Στα πλεονεκτήµατα χρήσης των LDRB αναφέρουµε την εύκολη και τυποποιηµένη πλέον παραγωγή τους και το ότι η απόκρισης τους δεν είναι ευαίσθητη σε επιδράσεις του περιβάλλοντος αλλά ούτε και σε παραµέτρους όπως η ταχύτητα και η ιστορία της φόρτισης. Βασικό τους µειονέκτηµα όµως αποτελεί η προσφορά χαµηλής απόσβεσης στο σύστηµα µε αποτέλεσµα την απαίτηση µεγάλης επάρκειας σε µετακινήσεις, οπότε προϋποθέτουν χρήση πρόσθετων µέτρων απόσβεσης ΕΦΕ ΡΑΝΑ ΥΨΗΛΗΣ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ (ΗDRB) Πρόκειται για ελαστοµεταλλικά συστήµατα τα οποία εµφανίζουν το σηµαντικό πλεονέκτηµα της υψηλούς ικανότητας απόσβεσης του ελαστοµερούς που τα αποτελεί. Ο ισοδύναµος λόγος ιξώδους απόσβεσης ζ κυµαίνεται µεταξύ 10 και 20% για διατµητική παραµόρφωση ίσης µε 100%. Η ενεργός τους δυσκαµψία Κ eff και η ισοδύναµη ιξώδης απόσβεση ζ eff επηρεάζονται από παράγοντες όπως η θερµοκρασία, η ιστορία και η ταχύτητα της φόρτισης, αλλά και από τα υλικά του ελαστοµερούς. Η συµπεριφορά των παραπάνω µονωτήρων µπορεί να εκφραστεί και µε τις ακόλουθες ελαστικές παραµέτρους: Κ eff : ισοδύναµη ελαστική (ενεργός) δυσκαµψία που υπολογίζεται ως η τέµνουσα δύναµη διαιρεµένη µε την µετακίνηση σχεδιασµού d bd του µονωτήρα και ισούται µε Κ eff = F max / d bd (2) ζ eff : ισοδύναµη ιξώδης (ενεργός) απόσβεση που αντιστοιχεί στην µετακίνηση σχεδιασµού d bd του µονωτήρα και δίνεται από την εξίσωση: ζ eff = 1/2π*(Ε D /K eff *d 2 bd) (3) όπου Ε D η ενέργεια που αποσβένυται ανά κύκλο στην µετακίνηση σχεδιασµού d bd του µονωτήρα ΕΦΕ ΡΑΝΑ ΜΕ ΠΥΡΗΝΑ ΜΟΛΥΒ ΟΥ (LRB) Τα ελαστοµεταλλικά εφέδρανα µε πυρήνα µολύβδου αποτελούνται από συνήθη εφέδρανα µε ελαστοµερές χαµηλής απόσβεσης στα οποία προστίθεται ένας κυλινδρικός πυρήνας µολύβδου όπως φαίνεται στην σχήµα 6. Σχήµα 6. Τυπική διατοµή ελαστοµεταλλικών εφεδράνων µε πυρήνα µολύβδου [2] 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος,

148 Κιτσικοπούλου ήµητρα Η συµπεριφορά του µολύβδου είναι ελαστική απολύτως πλαστική µε δυσκαµψία Κ L στον ελαστικό κλάδο και µηδενική δυσκαµψία µετά την διαρροή, ενώ το ελαστοµεταλλικό εφέδρανο συµπεριφέρεται ελαστικά µε δυσκαµψία Κ R.Συνεπώς, η συνολική ανελαστική συµπεριφορά των συγκεκριµένων εφεδράνων µπορεί να περγραφεί από τον διγραµµικοποιηµένο βρόχο υστέρησης της εικόνας 7, όπου η ελαστική δυσκαµψία είναι ίση µε Κ e =K L +K R (4) και η δυσκαµψία µετά την διαρροή είναι ίση µε K e =K r Η δύναµη διαρροής δίνεται από την σχέση: F Y =F LY *(1+K R /K L ) (5) όπου F LY =K L *d LY είναι η δύναµη στην οποία διαρρέει ο µόλυβδος.συνήθως, η ελαστική δυσκαµψία του µολύβδου είναι κατά πολύ µεγαλύτερη αυτής του ελαστοµερούς (K L >> K R ) οπότε θεωρείται µε επαρκή ακρίβεια ότι Κ e =K L και F y =F Ly Σχήµα 7. Συµπεριφορά επιµέρους στοιχείων και συνολικά για ελαστοµεταλλικά εφέδρανα µε πυρήνα µολύβδου [2] Σχήµα 8. Σύγκριση βρόχων υστέρησης για τους τρεις τύπους ελαστοµεταλλικών εφεδράνων [2] 4. ΤΡΟΠΟΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗΣ ΕΦΕ ΡΑΝΩΝ Για την εγκατάσταση των εφεδράνων, απαιτούνται κατά σειρά οι ακόλουθες εργασίες: a) Ενίσχυση των στοιχείων στον όροφο εγκατάστασης και στον υποκείµενο όροφο (υπόγειο όπου υπάρχει). b) Προσωρινή στήριξη των στοιχείων. 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος,

149 Σεισµική Μόνωση Υφισταµένων Κατασκευών µε Ελαστοµερή Συστήµατα και ιερεύνηση της Ανταγωνιστικότητας των Ελαστοµεταλλικών Εφεδράνων µε Πυρήνα Μολύβδου LRB c) Αποκοπή των στοιχείων από το επίπεδο εγκατάστασης για να δηµιουργηθεί ο αναγκαίος χώρος υποδοχής των εφεδράνων. d) Τοποθέτηση και ασφαλής ενσωµάτωση των εφεδράνων µε τα φέροντα στοιχεία του φορέα. e) Αφαίρεση της προσωρινής στήριξης. 5. ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ ΣΕΙΣΜΙΚΑ ΜΟΝΩΜΕΝΟΥ ΚΤΙΡΙΟΥ ΜΕ ΠΥΡΗΝΕΣ ΜΟΛΥΒ ΟΥ Τα ελαστοµεταλλικά εφέδρανα µε πυρήνα µολύβδου έχουν χρησιµοποιηθεί για τη σεισµική µόνωση του Κτιρίου Μουσείου υτικής Τέχνης στο Τόκυο (Ιαπωνία) που φαίνεται στην σχήµα 9. Σχήµα 9. Μουσείο δυτικής τέχνης στο Τόκυο [4] 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην εργασία αυτή γίνεται παρουσίαση της µεθόδου της σεισµικής µόνωσης µε ελαστοµεταλλικά εφέδρανα µε εξέχοντα ρόλο να λαµβάνουν τα εφέδρανα µε πυρήνες µολύβδου. Γίνεται σαφές ότι τα συγκεκριµένα εφέδρανα υπερτερούν έναντι των εφεδράνων χαµηλής αλλά και υψηλής απόσβεσης διότι ουσιαστικά συνδυάζει τα πλεονεκτήµατα των συγκεκριµένων εφεδράνων εποµένως δεν επηρεάζεται από συνθήκες περιβάλλοντος όπως η θερµοκρασία αλλά, και άλλες όπως η ιστορία και η ταχύτητα φόρτισης ενώ παράλληλα προσφέρουν ικανότητα υψηλής απόσβεσης στην κατασκευή. 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος,

150 Κιτσικοπούλου ήµητρα 7. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Α. Σοφοκλέους, Ι. Κάνας, Ι. Καραµπατζός και Κ. Μυλωνάς, Η εφαρµογή της σεισµικής µόνωσης σε υφιστάµενες κατασκευές ως µέσο ουσιαστικής σεισµικής αναβάθµισής τους. [2] Β. ηµούδης, ιερεύνηση της επίδρασης της σεισµικής µόνωσης στη συµπεριφορά δυώροφης λίθινης κατασκευής έναντι σεισµών εγγύς πεδίου, Μεταπτυχιακή εργασία, Αθήνα: ΕΜΠ, [3] Κ. Σπυράκος, «Ενίσχυση Κατασκευών για Σεισµικά Φορτία», Κεφ.7 "Σεισµική µόνωση των κατασκευών", σελ [4] « [Ηλεκτρονικό]. 18 o Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος,

151 Αποτίµηση και Ενίσχυση Ιδεατού Κτιρίου µε Μη-Γραµµική Στατική Υπερωθητική (pushover) Ανάλυση Κατά ΚΑΝ.ΕΠΕ. ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΣΗ Ι ΕΑΤΟΥ ΚΤΙΡΙΟΥ ΜΕ ΜΗ-ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΣΤΑΤΙΚΗ ΥΠΕΡΩΘΗΤΙΚΗ (PUSHOVER) ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΤΑ ΚΑΝ.ΕΠΕ ΡΟΜΠΟΛΑΣ ΙΩΑΝΝΗΣ ΤΕΡΖΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Περίληψη Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο την αναλυτική παρουσίαση της διαδικασίας µιας στατικής υπερωθητικής ανάλυσης βήµα προς βήµα µε βάση τις διατάξεις του ΚΑΝ.ΕΠΕ. Ως προς το σκοπό αυτό δηµιουργήθηκε προσοµοίωµα ιδεατού κτιρίου που προσεγγίζει κατά το βέλτιστο δυνατό τρόπο, τους κανόνες δόµησης µε τις προ 1985 λογικές. Για λόγους πληρότητας επιλέγεται ως τρόπος ενίσχυσης των υποστυλωµάτων η τεχνική του µεταλλικού κλωβού και γίνεται αποτίµηση της συµπεριφοράς του ενισχυµένου κτιρίου. Οι αναλύσεις πραγµατοποιήθηκαν µε το λογισµικό SAP2000 v ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η µη-γραµµική στατική ανάλυση, γνωστή και ως ανάλυση pushover, τείνει τα τελευταία χρόνια να καθιερωθεί ως η κύρια µέθοδος για την ανάλυση υφιστάµενων κατασκευών µε σκοπό τη σεισµική αποτίµησή τους. Η µέθοδος αυτή είναι απλούστερη και πιο προσιτή από την ανάλυση µε χρονοϊστορίες (µη-γραµµική δυναµική), χωρίς να υστερεί ως προς την ακρίβεια µε την οποία προσεγγίζεται η συµπεριφορά της κατασκευής [1]. Η καθιέρωση του ΚΑΝ.ΕΠΕ. ως εθνικό κανονιστικό κείµενο για την αποτίµηση και την ενίσχυση των υφιστάµενων κατασκευών, θέτει νέες παραµέτρους στην υλοποίηση της µεθόδου, οι οποίες βρίσκονται πιο κοντά στην πραγµατικότητα απ ότι οι απλουστευτικές παραδοχές που επιβάλλονταν για να χρησιµοποιηθούν οι κανονισµοί άλλων χωρών (FEMA 356, FEMA 440, ATC-40). 2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Ι ΕΑΤΟΥ ΚΤΙΡΙΟΥ Το προσοµοίωµα είναι ένα διώροφο κτίριο οπλισµένου σκυροδέµατος µε ύψος ορόφου 3 m και άνοιγµα δοκών 6 m. Το κτίριο έχει δυο ανοίγµατα κατά τη διεύθυνση Υ και 3 κατά τη διεύθυνση Χ. Η διαστασιολόγηση των διατοµών υποστυλωµάτων και δοκαριών πραγµατοποιήθηκε ικανοποιώντας τις διατάξεις ελαχίστων οπλισµών των σύγχρονων κανονισµών µε µόνη διαφορά τη χρήση λείων ράβδων έναντι νευροχάλυβα. 2.1 ΥΛΙΚΑ Σχήµα 1: Όψεις κατά τη διεύθυνση Χ και Υ αντίστοιχα Χάλυβας Οπλισµών (διαµήκης και εγκάρσιος): S220 (f c = 16 MPa, E cm = 27 GPa) Σκυρόδεµα: C 16/20 (f y = 220 MPa, E s =210 GPa) 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

152 Ρόµπολας Ιωάννης, Κωνσταντίνος Τερζής 2.2 ΙΑΤΟΜΕΣ ιαστάσεις (cm) ιαµήκης Οπλισµός Οπλισµός Άνω πέλµατος Οπλισµός Κάτω Πέλµατος Ενδιάµεσος Οπλισµός Εγκάρσιος Οπλισµός Υποστυλώµατα Εσωτερικά Υποστυλώµατα Εξωτερικά 50x50 40x40 12Φ16 περιµετρικά κατανεµηµένα 8Φ16 περιµετρικά κατανεµηµένα Φ8/ Φ8/150 οκοί 5Φ16 και 25x50 - Εσωτερικές 3Φ12 2Φ12 3Φ12 Φ8/200 οκοί 2Φ16 και 25x50 - Εξωτερικές 2Φ12 2Φ12 3Φ12 Φ8/200 Πίνακας 1: ιαστάσεις και οπλισµός των διατοµών των µελών Σχήµα 2: Τρισδιάστατη απεικόνιση του φορέα 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

153 Αποτίµηση και Ενίσχυση Ιδεατού Κτιρίου µε Μη-Γραµµική Στατική Υπερωθητική (pushover) Ανάλυση Κατά ΚΑΝ.ΕΠΕ. 3. ΠΡΟΥΠΟΘΕΣΕΙΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΗΣ ΜΕΘΟ ΟΥ 3.1 ΕΠΙΡΡΟΗ ΑΝΩΤΕΡΩΝ Ι ΙΟΜΟΡΦΩΝ Ο ΚΑΝ.ΕΠΕ. για τη διενέργεια της ανελαστικής στατικής ανάλυσης προϋποθέτει τη διερεύνηση της επιρροής των ανώτερων ιδιοµορφών [5.7.2]. Για να προσδιοριστεί το κατά πόσο η επιρροή αυτή είναι σηµαντική ή όχι απαιτείται η διενέργεια δύο υναµικών Φασµατικών Αναλύσεων, µιας µε θεώρηση επαρκούς αριθµού ιδιοµορφών, ώστε η δρώσα µάζα τους να είναι τουλάχιστον το 90% της συνολικής, και µιας µόνο µε θεώρηση της 1ης ιδιοµορφής. Αν η συνισταµένη τέµνουσα δύναµη κάποιου ορόφου σύµφωνα µε την πρώτη ανάλυση ξεπερνά το 130% της αντίστοιχης τέµνουσας σύµφωνα µε τη δεύτερη ανάλυση, τότε η επίδραση των ανωτέρων ιδιοµορφών θεωρείται σηµαντική. Στην περίπτωση αυτή επιτρέπεται η εφαρµογή της Ανελαστικής Στατικής Ανάλυσης µόνο µε παράλληλη όµως διενέργεια µιας Ελαστικής υναµικής Ανάλυσης, στην οποία τα κριτήρια αποδοχής των πλάστιµων δράσεων (m-factors) λαµβάνονται αυξηµένα κατά 33% [2]. Ωστόσο το πρόγραµµα δεν επιτρέπει την εισαγωγή συντελεστών στις πλάστιµες δράσεις. 3.2 ΑΝΕΠΑΡΚΕΙΕΣ ΚΑΙ ΚΑΝΟΝΙΚΟΤΗΤΑ ΚΤΗΡΙΟΥ Για τη διεξαγωγή της δυναµικής ανάλυσης θα πρέπει οι ανεπάρκειες λ=μ/μ y <2.5. Εναλλακτικά θα πρέπει το κτίριο να χαρακτηρίζεται ως µορφολογικά κανονικό σύµφωνα µε τον ΚΑΝ.ΕΠΕ. Ένα κτίριο χαρακτηρίζεται ως µορφολογικά κανονικό όταν ο µέσος δείκτης ανεπάρκειας λ κ υπερβαίνει το 150% του µέσου δείκτη ανεπάρκειας γειτονικού ορόφου ( γ). Εάν τα κριτήρια αυτά δεν πληρούνται, πραγµατοποιείται η δυναµική ανάλυση µε αυξηµένους συντελεστές ασφαλείας κατά 15% (5.6.1). Στην παρούσα εργασία το κτίριο ικανοποίησε το πρώτο κριτήριο [3]. 3.3 ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΙΑΦΡΑΓΜΑΤΩΝ Τα διαφράγµατα σύµφωνα µε τον ΚΑΝ.ΕΠΕ. (5.4.6) διακρίνονται σε απαραµόρφωτα και ευπαραµόρφωτα. Στη συγκεκριµένη εργασία θεωρήθηκαν πλήρως απαραµόρφωτα [3]. 4. ΕΛΑΣΤΙΚΗ ΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Τα χαρακτηριστικά του φάσµατος σχεδιασµού ελήφθησαν για την περιοχή της Αχαΐας χρησιµοποιώντας το τροποποιηµένο φάσµα σχεδιασµού Φ d (T) του ΕΑΚ2000 για Τ<Τ 2. Όπου χρησιµοποιήθηκαν τα εξής δεδοµένα: Ζώνη Σεισμικής Επικινδυνότητας II Κατηγορία Εδάφους Β Συντελεστής Συμπεριφοράς q = 1 Κατηγορία Σπουδαιότητας γ 1 = 1.15 Πίνακας 2: εδοµένα Επιλογής Φάσµατος Σχεδιασµού Ο λόγος απόσβεσης τόσο για τις ελαστικές όσο και για τις ανελαστικές αναλύσεις ελήφθη σύµφωνα µε τον ΕΑΚ 2000 ξ=0.005 για οπλισµένο σκυρόδεµα (Πίνακας 2.8). Από τα αποτελέσµατα τις δυναµικής ανάλυσης εκτιµήθηκε η τιµή της αξονικής δύναµης για να υπολογιστούν οι παράµετροι των πλαστικών αρθρώσεων όπως αναγράφεται παρακάτω. Αυτό συνέβη για συνολικά τέσσερις σεισµικές δράσεις: G + 0.3Q + E x + 0.3E y G + 0.3Q + E x 0.3E y G + 0.3Q - E x + 0.3E y 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

154 Ρόµπολας Ιωάννης, Κωνσταντίνος Τερζής G + 0.3Q - E x 0.3E y Αξίζει να σηµειωθεί ότι εκτιµήθηκαν οι τιµές των αξονικών δυνάµεων για συνδυασµό G + 0.3Q για να γίνουν οι υπολογισµοί και ακολούθως επαναλήφθηκε η ανάλυση και για τις σεισµικές δράσεις, επανυπολογίζοντας τις παραµέτρους των πλαστικών αρθρώσεων. Από τα αποτελέσµατα της δυναµικής ανάλυσης προέκυψε ότι οι ανώτερες ιδιοµορφές δεν παίζουν σηµαντικό ρόλο, ικανοποιώντας το παραπάνω κριτήριο. 5. Ι ΙΟΜΟΡΦΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Από την ιδιοµορφική ανάλυση που διεξήχθη προέκυψαν οι παρακάτω ιδιοπερίοδοι και τα ποσοστά συµµετοχής µάζας, ικανοποιώντας την απαίτηση του ΚΑΝ.ΕΠΕ. ( ) για µεγαλύτερο ποσοστό της τάξεως του 75% [3]. Ιδιοµορφή Περίοδος (sec) X Y 1 0, , , , , , , , , , , , , , , Πίνακας 3: Ιδιοπερίοδοι και ποσοστά συµµετοχής µαζών κατά τη θεωρούµενη διεύθυνση 6. ΑΝΕΛΑΣΤΙΚΗ ΣΤΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Σύµφωνα µε τον ΚΑΝ.ΕΠΕ. η προσοµοίωση της καµπύλης F-δ γίνεται µέσω ενός πολυγραµµικού διαγράµµατος όπου η F εκφράζεται σε όρους ροπής και η δ σε όρους στροφής χορδής ( ) [3]. Σχήµα 3: Εξιδανικευµένο διάγραµµα F δ [3] 6.1 ΕΝΕΡΓΟΣ ΥΣΚΑΜΨΙΑ Η δυσκαµψία των δοκών και των υποστυλωµάτων κατά την ανάλυση δε λαµβάνεται ακέραιη, αλλά µειωµένη σύµφωνα µε ένα συντελεστή που προσοµοιώνει τη φθορά τους. Αυτή η ενεργός δυσκαµψία υπολογίζεται σύµφωνα µε την εξίσωση: Ωστόσο, στο πρόγραµµα είναι δυνατό να εισαχθεί µόνο η ροπή αδράνειας, οπότε υπολογίζεται η δυσκαµψία για τη µέση τιµή αντοχής σκυροδέµατος και προσδιορίζεται η νέα ροπή αδράνειας, εφ όσον η ενεργός δυσκαµψία είναι γνωστή από τον παραπάνω τύπο. Εναλλακτικά µπορεί να χρησιµοποιηθεί ο πίνακας του κεφαλαίου 4 [3]. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

155 Αποτίµηση και Ενίσχυση Ιδεατού Κτιρίου µε Μη-Γραµµική Στατική Υπερωθητική (pushover) Ανάλυση Κατά ΚΑΝ.ΕΠΕ. 6.2 ΓΩΝΙΑ ΣΤΡΟΦΗΣ ΧΟΡ ΗΣ Το σηµαντικότερο σκέλος της ανελαστικής στατικής ανάλυσης είναι η προσοµοίωση των ανελαστικών ιδιοτήτων των πλαστικών αρθρώσεων. Προς το σκοπό αυτό θα πρέπει να υπολογιστούν η συµβολή, τόσο της κάµψης µε τον υπολογισµό της καµπυλότητας κατά την αστοχία (1/r) y, όσο και της διάτµησης. Σύµφωνα µε τον ΚΑΝ.ΕΠΕ. η γωνία στροφής χορδής κατά τη διαρροή προκύπτει από την ακόλουθη έκφραση για δοκούς και υποστυλώµατα: Στην εξίσωση αυτή ο 1 ος όρος εκφράζει τη συµβολή των καµπτικών παραµορφώσεων, ο 2 ος τις µέσες διατµητικές παραµορφώσεις στο µήκος L s, ενώ ο 3 ος όρος εκφράζει την επιρροή της εξόλκευσης του τµήµατος ράβδων πέραν της ακραίας διατοµής του στοιχείου. Η καµπυλότητα (1/r) y λαµβάνεται ως η ελαχίστη τιµή που προκύπτει από τους 2 τύπους: Ο πρώτος αναφέρεται στη διαρροή εφελκυόµενου χάλυβα και ο δεύτερος στη θραύση σκυροδέµατος όπου ξy το ύψος της θλιβόµενης ζώνης ανηγµένο στο d κατά τη διαρροή. Ενώ οι συντελεστές Α, Β και α δίνονται από τις κάτωθι εξισώσεις: Αντίστοιχα η µέση γωνία στροφής χορδής κατά την αστοχία υπολογίζεται από την παρακάτω εξίσωση: Σε αυτό το σηµείο πρέπει να σηµειωθεί ότι ο υπολογισµός της θ y δεν έχει ιδιαίτερη σηµασία καθώς στο λογισµικό δεν υπάρχει η δυνατότητα να εισαχθεί αυτή η τιµή, παρά µόνο η διαθέσιµη πλαστική στροφή χορδής, η οποία υπολογίζεται ως θ y pl = θ um - θ y, η αναλυτικά: Αφού υπολογισθούν οι τιµές της γωνίας στροφής χορδής θα πρέπει να διαιρεθούν µε συντελεστή ασφαλείας σύµφωνα µε τα όσα αναγράφονται στο κεφάλαιο 9 του ΚΑΝ.ΕΠΕ [3]. Εν προκειµένω, επειδή θεωρήθηκε η χρήση λείων ράβδων, ισχύουν όσα αναγράφονται στο άρθρο β παράγραφος v για τα υποστυλώµατα, δηλαδή συντελεστής ασφαλείας 0.95/1.2 ενώ για τα δοκάρια συντελεστής ασφαλείας 1.2. Ακολούθως υπολογίζονται οι στάθµες επιτελεστικότητας σύµφωνα µε τους συντελεστές που προτείνει το κεφάλαιο 9 και καθορίζονται τα κριτήρια αποδοχής της κάθε στάθµης [3]. Τα υποστυλώµατα ελέγχθηκαν για διαξονική κάµψη ενώ στις δοκούς οι υπολογισµοί εκτελέστηκαν δυο φορές, για εφελκυσµό πάνω και κάτω στο επίπεδο της διατοµής τους, συνεκτιµώντας το ενεργό πλάτος πλακοδοκού. Παρατίθενται ενδεικτικοί πίνακες µε υπολογισµούς που έγιναν κατά τη διενέργεια της εργασίας. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

156 Ρόµπολας Ιωάννης, Κωνσταντίνος Τερζής Αστοχία λόγω διαρροής εφελκυόµενου χάλυβα Αστοχία λόγω θραύσης σκυροδέµατος ΥΠΟΣΤ. 40*40 ΟΡΟΦΟΥ ΥΠΟΣΤ. 50*50 - ΟΡΟΦΟΥ ΥΠΟΣΤ. 40*40 - ΙΣΟΓΕΙΟΥ ΥΠΟΣΤ. 50*50 - ΙΣΟΓΕΙΟΥ Ν (kn) -111, , ,05-244,234 b (mm) d (mm) As 1 (mm 2 ) , ,5 Αs 2 (mm 2 ) , ,5 As ενδ ν 0, , , , ω 0, , , , ω' 0, , , , ρ 0, , , , ρ 0, , , , ρ s 0, , , , b c (mm) h c (mm) Σb 2 i (mm) d (mm) δ 0,14 0,112 0,14 0,112 α 0, , , , α s = L s /h 3,75 3 3,75 3 Α 0, , , , Β 0, , , , ξ y 0, , , , (1/r) y 0, , , , A 0, , , , B 0, , , , ξ y 0, , , , (1/r) y 0, , , , M y 63, , , , θ um 0, , , , pl θ um 0, , , , θ y 0, , , , Πίνακας 4: Υπολογισµοί υποστυλωµάτων Αυτά τα στοιχεία εισάγονται στο SAP2000 ως εξής: Define>Section Properties>Hinge Properties Σχήµα 4: Καθορισµός ιδιοτήτων πλαστικής άρθρωσης στα εξωτερικά υποστυλώµατα ισογείου 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

157 Αποτίµηση και Ενίσχυση Ιδεατού Κτιρίου µε Μη-Γραµµική Στατική Υπερωθητική (pushover) Ανάλυση Κατά ΚΑΝ.ΕΠΕ. Εκεί καθορίζονται οι µετελαστικές ιδιότητες για διαξονική κάµψη µε αξονική δύναµη (P- M2-M3) στα υποστυλώµατα και για µονοαξονική κάµψη (Μ3) στα δοκάρια. Είναι πολύ σηµαντικό, για τη ρεαλιστική προσοµοίωση των πλαστικών αρθρώσεων, να εισαχθούν στο πρόγραµµα οι σχέσεις αλληλεπίδρασης ροπών κάµψης αξονικής δύναµης χειροκίνητα ή µε τη χρήση λογισµικού όπως το XTRACT ή το section designer που περιέχεται στο SAP2000. Στην παρούσα εργασία η αλληλεπίδραση καθορίστηκε σύµφωνα µε ACI Σχήµα 5: Εισαγωγή διαγράµµατος αλληλεπίδρασης Μ-Ν στα υποστηλώµατα Σχήµα 6: Εξαγωγή διαγράµµατος Μ-Ν από το Section Designer 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

158 Ρόµπολας Ιωάννης, Κωνσταντίνος Τερζής Σχήµα 7: Εισαγωγή διαγράµµατος Μ-θ για υποστύλωµα και δοκό αντίστοιχα 6.3 ΜΕΙΩΣΗ ΙΑΤΜΗΤΙΚΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ ΜΕ ΤΗΝ ΑΝΑΚΥΚΛΙΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΕΛΑΣΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΕΩΝ Η διατµητική αντοχή ενός δοµικού στοιχείου οπλισµένου σκυροδέµατος, το οποίο υποβάλλεται σε ανακυκλιζόµενες παραµορφώσεις, µειώνεται. Αυτή η µειωµένη αντοχή, όπως καθορίζεται από τη διαρροή των συνδετήρων, προκύπτει από την ακόλουθη έκφραση του Παραρτήµατος 7.Γ του ΚΑΝ.ΕΠΕ. [3]: 6.4 ΙΑΚΡΙΣΗ ΟΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΕ ΟΙΩΝΕΙ ΠΛΑΣΤΙΜΑ ΚΑΙ ΨΑΘΥΡΑ Αφού υπολογιστούν οι V R για κάθε δοµικό στοιχείο, συγκρίνονται µε τις V My =M y /L s καθορίζοντας, έτσι, τον τρόπο αστοχίας των στοιχείων. Αν η V R επαρκεί, το στοιχείο χαρακτηρίζεται ως πλάστιµο και αστοχεί σε κάµψη. Αν όχι χαρακτηρίζεται ως ψαθυρό, οπότε καθοριστική της αστοχίας είναι η διάτµηση και οι υπολογισθείσες γωνίες στροφής θα πρέπει να ληφθούν αποµειωµένες [3]. 6.5 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΠΛΕΥΡΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Για τη σχεδίαση της καµπύλης ικανότητας V δ απαιτούνται τουλάχιστον δύο επιλύσεις µε δύο διαφορετικές καθ ύψος κατανοµές φορτίων. Επιλέγεται µία κατανοµή από καθεµιά από τις ακόλουθες οµάδες [ ]: Οµάδα Α Α1. Κατανοµή σύµφωνα µε τα σεισµικά φορτία της Ελαστικής Στατικής Μεθόδου. Α2. Κατανοµή σύµφωνα µε το ιδιοδιάνυσµα της 1ης ιδιοµορφής (κατά τη θεωρούµενη διεύθυνση). Α3. Κατανοµή ανάλογη µε τις τέµνουσες δυνάµεις των ορόφων, όπως αυτές προκύπτουν από δυναµική φασµατική ανάλυση. Οµάδα Β Β.1 Οµοιόµορφη κατανοµή, ανάλογα µε τις µάζες των ορόφων. Β.2 Κατανοµή που αναπροσαρµόζεται µε την προοδευτική πλαστικοποίηση της κατασκευής. Πίνακας 5: Οµάδες κατανοµών πλευρικών φορτίων [2] 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

159 Αποτίµηση και Ενίσχυση Ιδεατού Κτιρίου µε Μη-Γραµµική Στατική Υπερωθητική (pushover) Ανάλυση Κατά ΚΑΝ.ΕΠΕ. Στην παρούσα εργασία για λόγους απλοποίησης έγινε επίλυση µόνο µε µια κατανοµή, την ιδιοµορφική σύµφωνα µε το ιδιοδιάνυσµα της 1 ης ιδιοµορφής κατά τη θεωρούµενη διεύθυνση. Το SAP2000 έχει επιλογή για ιδιοµορφική κατανοµή η οποία εισάγεται όπως στο κάτωθι σχήµα. Επιλέγεται Nonlinear και Continue from State at End of Nonlinear Case όπου επιλέγεται µια µη γραµµική load case που δηµιουργείται προηγουµένως από το µελετητή, η οποία ολοκληρώνεται και σε ένα βήµα και καθορίζει τις αρχικές συνθήκες πριν την εφαρµογή του πλευρικού φορτίου που προσοµοιώνει τη σεισµική δράση. Σχήµα 8: Εισαγωγή πλευρικού φορτίου µε ιδιοµορφική κατανοµή Σχήµα 9: Οι δυο πρώτες ιδιοµορφές του κτιρίου όπως προκύπτουν από την ιδιοµορφική ανάλυση, η πρώτη µε ιδιοπερίοδο Τ1= sec καµπτική κατά την y y διεύθυνση και η δεύτερη µε T2= sec κατά τη x x διεύθυνση Στη συνέχεια επιλέγονται οι πιθανές θέσεις πλαστικών αρθρώσεων στα δοµικά µέλη της κατασκευής. Αυτές επιλέγονται ως τα άκρα των δοκών και των υποστυλωµάτων. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

160 Ρόµπολας Ιωάννης, Κωνσταντίνος Τερζής Σχήµα 10: Η τοποθέτηση των πλαστικών αρθρώσεων στα άκρα δοκών και υποστυλωµάτων Με βάση τον ΚΑΝ.ΕΠΕ. ελέγχεται αν η απαίτηση για µετακίνηση που θέτει το φάσµα σχεδιασµού δεν ξεπερνά τη διαθέσιµη µετακίνηση του κτιρίου από την οποία και θα εξασφαλίζεται η στάθµη επιτελεστικότητας «Προστασία ζωής» [3]. Οι τιµές της δ t που υπολογίστηκαν κυµαίνονταν από έως m. 6.6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Παρακάτω παρατίθενται οι µηχανισµοί του κτιρίου όπως αυτοί προέκυψαν για ανάλογη διεύθυνση σεισµικής δράσης. Σχήµα 11: Αναπτυσσόµενοι µηχανισµοί κατά τις διευθύνσεις Χ και Χ Σχήµα 12: Αναπτυσσόµενοι µηχανισµοί κατά τις διευθύνσεις Υ και Υ 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

161 Αποτίµηση και Ενίσχυση Ιδεατού Κτιρίου µε Μη-Γραµµική Στατική Υπερωθητική (pushover) Ανάλυση Κατά ΚΑΝ.ΕΠΕ. Παρακάτω δίνονται και οι καµπύλες αντίστασης του κτιρίου διγραµµικοποιηµένες µε τις αντίστοιχες στάθµες επιτελεστικότητας. Να σηµειωθεί σε αυτό το σηµείο ότι η στοχευόµενη µετακίνηση βρίσκεται εκτός καµπυλών αντίστασης καθώς ο φορέας µας αστοχεί προτού φτάσει σε αυτή. Η διγραµµικοποίηση πραγµατοποιήθηκε στο χέρι, υπό συγκεκριµένη κλίµακα για να υπολογιστούν οι συντεταγµένες του σηµείου αλλαγής κλίσης της καµπύλης και εν συνεχεία ελέγχθηκαν τα εµβαδά εκατέρωθεν της καµπύλης ώστε να είναι ίσα. Ο έλεγχος πραγµατοποιήθηκε µέσω δοκιµών, µε την ακριβή αναπαράσταση του µοντέλου στο λογισµικό AutoCad και τον υπολογισµό των εµβαδών µε την εντολή area. Σχήµα 13: Καµπύλη αντίστασης κατά Χ και κατά Χ 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

162 Ρόµπολας Ιωάννης, Κωνσταντίνος Τερζής Σχήµα 14: Καµπύλη αντίστασης κατά Υ και κατά Υ Στα παραπάνω σχήµατα παρατηρείται ότι το κτήριο παρουσιάζει εκτεταµένες βλάβες στα εσωτερικά υποστυλώµατα, τα οποία βρίσκονται στις διευθύνσεις Χ και Χ οριακά σε αποφυγή κατάρρευσης, ενώ στις διευθύνσεις Υ και Υ αστοχούν. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

163 Αποτίµηση και Ενίσχυση Ιδεατού Κτιρίου µε Μη-Γραµµική Στατική Υπερωθητική (pushover) Ανάλυση Κατά ΚΑΝ.ΕΠΕ. 7. ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΤΗΡΙΟΥ Η µεθοδολογία της ενίσχυσης έχει σαν γενικότερο στόχο την αύξηση της πλαστιµότητας του κτηρίου. Στη συγκεκριµένη εργασία, η ανάγκη ενίσχυσης είναι σαφώς µεγαλύτερη κατά την Υ διεύθυνση και επιλέγεται η τεχνική του «µεταλλικού κλωβού» ως µορφή επιβολής εξωτερικής περίσφιγξης στα κεντρικά υποστυλώµατα. Εν συνεχεία, έγινε αποτίµηση του ενισχυµένου κτηρίου µε χρήση ανελαστικής υπερωθητικής στατικής ανάλυσης (push-over) και σύγκριση των αποτελεσµάτων µεταξύ του αρχικού και του ενισχυµένου κτηρίου. 7.1 ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΥ ΚΛΩΒΟΥ Σύµφωνα µε την τεχνική του «µεταλλικού κλωβού», η περίσφιγξη επιτυγχάνεται µέσω τεσσάρων γωνιακών ελασµάτων που προσαρµόζονται στις γωνίες κάθε υποστυλώµατος και οριζοντίων µεταλλικών ελασµάτων που συγκολλούνται πάνω στα γωνιακά [4]. Για την εξασφάλιση επαρκούς περίσφιγξης, είτε συσφίγγονται τα γωνιακά µε κατάλληλα κλειδιά προτού συγκολληθούν οι οριζόντιες µεταλλικές ράβδοι, είτε οι ράβδοι αυτές προθερµαίνονται σε θερµοκρασίες περί των 200 C πριν τη συγκόλληση [1]. Ο συντελεστής αποδοτικότητας της περίσφιγξης δίνεται από τη σχέση: Όπου: Και t f το πάχος του ελάσµατος. Στη συγκεκριµένη εργασία χρησιµοποιήθηκαν γωνιακά ελάσµατα διαστάσεων 100x100x25mm. Ως επί το δυσµενέστερο, η εφελκυστική αντοχή των ελασµάτων θεωρήθηκε ίση µε αυτή του διαµήκη οπλισµού, ενώ στην ανάλυση, η ικανότητα των οριζόντιων ελασµάτων στη λήψη τεµνουσών τάσεων αγνοείται. Αυτό αποτελεί µια ρεαλιστική παραδοχή καθώς η υποτίµηση της αντοχής των υποστυλωµάτων είναι προς όφελος της ασφάλειας. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

164 Ρόµπολας Ιωάννης, Κωνσταντίνος Τερζής Σχήµα 15: Υποστύλωµα ενισχυµένο µε τη µέθοδο του «µεταλλικού κλωβού» και Κάτοψη και όψη ενισχυµένου µέλους 8. ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΟΥ ΚΤΙΡΙΟΥ Στο section designer που περιέχει το SAP2000 εισάγονται στα εσωτερικά υποστυλώµατα µεταλλικά γωνιακά καθ όλο το ύψος της διατοµής. Οι λάµες που τοποθετούνται ανά διαστήµατα, παραλείπονται, θεωρώντας ότι δε λαµβάνουν καθόλου διατµητικές τάσεις. Αυτή µπορεί να θεωρηθεί ως αποδεκτή παραδοχή από τη µεριά της ασφάλειας, αφού το κτίριο µελετάται υποεκτιµώντας την αντοχή των υποστυλωµάτων. Βεβαίως θα πρέπει να αλλαχθούν εκ νέου οι σχέσεις αλληλεπίδρασης ροπών αξονικής δύναµης, καθώς µε την προσθήκη των µεταλλικών διατοµών η διατοµή µετατρέπεται ουσιαστικά σε σύµµικτη. Ο συντελεστής αποδοτικότητας της περίσφιγξης τροποποιεί και τις υπολογισθείσες τιµές διαθέσιµης πλαστικής στροφής χορδής και κατ επέκταση τις στάθµες επιτελεστικότητας. Οι νέες τιµές για την πλαστική στροφή υπολογίσθηκαν κατά µέσο όρο 30% µεγαλύτερες σε σχέση µε την αρχική διατοµή. Τρέχοντας µια δυναµική ελαστική ανάλυση, προέκυψαν µειωµένες µετατοπίσεις κόµβων στις δοκούς, κάτι που δείχνει την αποτελεσµατικότητα της µεθόδου. Σχήµα 16: ηµιουργία σύνθετης διατοµής στο Section Designer 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

165 Αποτίµηση και Ενίσχυση Ιδεατού Κτιρίου µε Μη-Γραµµική Στατική Υπερωθητική (pushover) Ανάλυση Κατά ΚΑΝ.ΕΠΕ. 9. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Με τη διαδικασία που περιγράφηκε παραπάνω κατά την αποτίµηση παρατηρούνται οι µηχανισµοί των πλαστικών αρθρώσεων που αναπτύσσονται στο κτίριο, καθώς και τις στάθµες επιτελεστικότητας στις οποίες αναφέρονται. Για το ιδεατό κτίριο παρατηρείται ότι η κατάρρευση της κατασκευής επέρχεται προτού ο κόµβος ελέγχου φτάσει τη στοχευόµενη µετακίνηση.οι πλαστικές αρθρώσεις εµφανίζονται σταδιακά, τόσο στις δοκούς, όσο και στα υποστυλώµατα, µε τα δεύτερα να υποφέρουν περισσότερο από µεγάλα αξονικά φορτία και τέµνουσες δυνάµεις που ευθύνονται και για την αστοχία τους. Τα εσωτερικά υποστυλώµατα είναι αυτά που αστοχούν, ενώ τα εξωτερικά µέχρι το τέλος της ανάλυσης βρίσκονται στη στάθµη «Αποφυγή Κατάρρευσης». Αξίζει να σηµειωθεί, ότι στα εσωτερικά υποστυλώµατα οι πλαστικές αρθρώσεις σχηµατίσθηκαν στη βάση τους και όχι στις κορυφές τους. Η αξιοπιστία της στατικής υπερωθητικής ανάλυσης (pushover) όσον αφορά τους µηχανισµούς είναι αµφισβητήσιµη καθώς πολλοί παράµετροι αγνοούνται. Μια από αυτές είναι η επιρροή της στρέψης στο κτίριο η οποία αγνοείται, καθώς η pushover είναι µια ανελαστική ανάλυση και ως εκ τούτου δεν ισχύει η αρχή της επαλληλίας, ώστε να θεωρηθεί ταυτόχρονη σεισµική δράση και να είναι δυνατή η επαλληλία των αποτελεσµάτων [2]. Γι αυτό και τα φορτία εφαρµόζονται κατά τη θεωρούµενη διεύθυνση, µια κάθε φορά. Αντίθετα, η ελαστική δυναµική ανάλυση δίνει τη δυνατότητα να γίνει επαλληλία των διανυσµάτων του σεισµού. Ο EC-8 προς το σκοπό αυτό προβλέπει την εκτίµηση της επιρροής της στρέψης µέσω της εφαρµογή του πλευρικού φορτίου µε τυχηµατική εκκεντρότητα. Μια ανελαστική στατική ανάλυση θα πρέπει να διεξάγεται παράλληλα µε µια δυναµική για να υπάρχει µια εικόνα εκτίµησης και των εντατικών µεγεθών αλλά και για να µπορεί να γίνει µια εκτίµηση του κατά πόσο ρεαλιστικά είναι τα αποτελέσµατα της pushover [5]. Μόνο η ανελαστική στατική ανάλυση δίνει µια εικόνα για τους µηχανισµούς που αναπτύσσονται. Θα πρέπει, όµως, να εφαρµόζεται µε όσο το δυνατόν µεγαλύτερη ακρίβεια γίνεται, καθώς µια µικρής κλίµακας αλλαγή στα δεδοµένα, είναι δυνατόν να επιφέρει σηµαντικές αλλαγές στο αποτέλεσµα. Γενικά, η υποτίµηση της αντοχής δοµικών µελών δεν είναι από τη µεριά της ασφάλειας, γιατί ενδέχεται να προκύψει µηχανισµός, ευµενέστερος του πραγµατικού και να γίνει λάθος αποτίµηση άρα και περιττή ενίσχυση. 10. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] ρίτσος Σ., «Τεχνικές Ενίσχυσης Υποστυλωµάτων µε Περίσφιγξη», ελτίο Συλλόγου Πολιτικών Μηχανικών Ελλάδος, Νο. 338, 2006 [2] Μανούκας Γ., Αθανατοπούλου Α., Αβραµίδης Ι., «Πρόσφατες Εξελίξεις στις Απλοποιητικές Μεθόδους Ανάλυσης Κατασκευών Ο/Σ», Πρακτικά 16 ου Συνεδρίου Σκυροδέµατος (Πάφος Οκτώβριος 21-23, 2009), ΤΕΕ/ΕΤΕΚ, Πάφος, 2009 [3] Ο.Α.Σ.Π., Τελικό Κείµενο Κανονισµού Επεµβάσεων, Νοέµβριος 2011 [4] ρίτσος Σ., «Επισκευές και Ενισχύσεις Κατασκευών από Οπλισµένο Σκυρόδεµα», Εκδόσεις Πανεπιστηµίου Πατρών, 2011 [5] Yang P., Wang Y., «A Study on Improvement of Pushover Analysis», 12WCEE, 2000 [6] Computers and Structures, Inc., «SAP2000: Linear and Nonlinear Static and Dynamic Analysis and Design of Three-Dimensional Structures», Berkeley, California, ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

166 Ρόµπολας Ιωάννης, Κωνσταντίνος Τερζής 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

167 Συγκριτική Μελέτη Μεθόδων Ενίσχυσης Πλαισιακών Φορέων, µε ή χωρίς Μαλακό Όροφο, Μέσω Ανελαστικών Στατικών Αναλύσεων. ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΜΕΘΟ ΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΣΕ ΠΛΑΙΣΙΑ Ο/Σ ΜΕ ΚΑΙ ΧΩΡΙΣ PILOTIS ΜΕΣΩ ΑΝΕΛΑΣΤΙΚΩΝ ΣΤΑΤΙΚΩΝ ΑΝΑΛΥΣΕΩΝ ΛΑΤΣΟΣ ΛΕΩΝΙ ΑΣ ΤΟΥΣΜΑΝΗΣ ΑΡΙΣΤΕΙ ΗΣ Περίληψη Η παρούσα εργασία ασχολείται µε την αποτίµηση της αντοχής πλαισίων οπλισµένου σκυροδέµατος, κατασκευασµένων σύµφωνα µε τα παλαιά πρότυπα (προ του 85 ), και την ενίσχυση τους. Εξετάζονται τρεις µέθοδοι ενίσχυσης: προσθήκη πλευρικών τοιχωµάτων πτερυγίων, γέµισµα πλαισίων µε οπλισµένο σκυρόδεµα, µεταλλικοί σύνδεσµοι δυσκαµψίας (χιαστί) και γίνεται σύγκριση αυτών ως προς την αντοχή, την πλαστιµότητα και τη δυσκαµψία. Επίσης µελετάται η επιρροή µαλακού ορόφου στην απόκριση των πλαισίων πριν και µετά την ενίσχυση. Η εργασία έχει γίνει µε βάση τις διατάξεις του Κανονισµού Επεµβάσεων ΚΑΝ.ΕΠΕ (προσοµοίωση, ανάλυση και ενίσχυση). Για την εκπόνηση των αναλύσεων χρησιµοποιήθηκε η Ανελαστική Στατική Ανάλυση (Pushover) του προγράµµατος SAP ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η Ελλάδα είναι µια από τις πλέον σεισµογενείς Ευρωπαϊκές χώρες και τις τελευταίες δεκαετίες οι συνέπειες από τις σεισµικές δονήσεις τόσο σε ανθρώπινα θύµατα, όσο και σε υλικές ζηµιές είναι πολύ µεγάλες. Όταν πρώτος αντισεισµικός κανονισµός εισήχθη στη χώρα µας, το 1959, το βασικό νέο στοιχείο που εισήγαγε στο σχεδιασµό των κατασκευών Ο/Σ ήταν η απαίτηση υπολογισµού για τον καθορισµό του µεγέθους των σεισµικών δυνάµεων, ανάλογα µε τη θεωρούµενη σεισµικότητα της περιοχής και τον τύπο του εδάφους. Βέβαια, η θέσπιση αντισεισµικού κανονισµού δεν σηµαίνει ότι οι κατασκευές που σχεδιάστηκαν µε αυτόν διέθεταν ικανοποιητική αντοχή σε σεισµό. Στην πραγµατικότητα, η διαστασιολόγηση των µελών τέτοιων κατασκευών παρουσιάζει µικρή αντοχή σε σχέση µε τις απαιτήσεις που θεσπίζουν οι σύγχρονοι κανονισµοί. Ως αποτέλεσµα, κρίνεται απαραίτητη στις περισσότερες περιπτώσεις η ενίσχυση των παλαιών κατασκευών ώστε να παρέχουν την απαιτούµενη ασφάλεια. Αντικίνητρο για τη σεισµική ενίσχυση αποτελεί η έλλειψη µέχρι τώρα θεσµοθετηµένων προδιαγραφών ή κανονισµών για την αποτίµηση και τον ανασχεδιασµό των υφιστάµενων κατασκευών. Στο πλαίσιο αυτό, υπό την αιγίδα του Οργανισµού Αντισεισµικού Σχεδιασµού Προστασίας (Ο.Α.Σ.Π.) εκπονήθηκε ερευνητικό έργο για την έκδοση του πρώτου κειµένου του Κανονισµού Επεµβάσεων (ΚΑΝ.ΕΠΕ) ο οποίος έχει ως στόχο να θέσει τις αρχές και τις µεθόδους βάση των οποίων θα γίνονται οι επεµβάσεις σε κτίρια οπλισµένου σκυροδέµατος. Στην παρούσα εργασία εφαρµόζονται οι διατάξεις του ΚΑΝ.ΕΠΕ. για την µελέτη τριών τεχνικών ενίσχυσης πλαισίων οπλισµένου σκυροδέµατος. Πιο συγκεκριµένα, εξετάζονται οι εξής µέθοδοι: Ενίσχυση µε µεταλλικούς συνδέσµους δυσκαµψίας Γέµισµα πλαισίων µε οπλισµένο σκυρόδεµα Προσθήκη πλευρικών τοιχωµάτων σε συνέχεια υποστυλωµάτων Τοιχώµατα µε πτερύγια 1.1. ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΜΕ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΥΣ ΣΥΝ ΕΣΜΟΥΣ ΥΣΚΑΜΨΙΑΣ Οι µεταλλικοί σύνδεσµοι δυσκαµψίας χρησιµοποιούνται για να αυξήσουν την αντοχή σε πλευρική φόρτιση. Με την προσθήκη συνδέσµων δυσκαµψίας, οι σεισµικές δυνάµεις αναλαµβάνονται κυρίως από τις αξονικές δυνάµεις των συνδέσµων. Οι σύνδεσµοι κατατάσσονται στις εξής κατηγορίες: Ανάλογα µε τον τρόπο σύνδεσης των µελών µε το ζύγωµα του φατνώµατος σε κεντρικούς και έκκεντρους. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

168 Λατσός Λεωνίδας, Τουσµάνης Αριστείδης Ανάλογα µε τον τρόπο σύνδεσης των συνδέσµων µε την υφιστάµενη κατασκευή οπλισµένου σκυροδέµατος σε συνδέσµους µε εξωτερική και εσωτερική σύνδεση (οι δεύτεροι διαχωρίζονται σε άµεσης και έµµεσης σύνδεσης) Χιαστί διαγώνιοι σύνδεσµοι Είναι η µορφή που χρησιµοποιείται πιο συχνά στην πράξη. Πρόκειται για κεντρικούς συνδέσµους που αναλαµβάνουν µόνο πλευρικά φορτία µε ανάπτυξη αξονικών (εφελκυστικών και θλιπτικών) δυνάµεων. Κατά τη διαστασιολόγηση τους θεωρείται ότι οι εφελκυόµενες διαγώνιοι συνεισφέρουν στην ανάληψη των εναλλασσόµενων σεισµικών δυνάµεων, ενώ οι θλιβόµενες αγνοούνται. σε πειράµατα ανακυκλιζόµενης φόρτισης, κατά την εφαρµογή θλιπτικού φορτίου τα µέλη παραµορφώνονται πλευρικά και σχηµατίζουν πλαστική άρθρωση στο µέσον του µήκους τους που συνεπάγεται µείωση της αντοχής του στοιχείου σε θλίψη. Στη συνέχεια, µε τη δράση εφελκυστικής δύναµης, το εφελκυόµενο µέλος αναλαµβάνει το φορτίο και διαρρέει. Ακολουθεί ο λυγισµός του θλιβόµενου µέλους. Το γενικό συµπέρασµα που προκύπτει είναι η σηµαντική αύξηση στη διατµητική αντοχή εντός επιπέδου ενός πλαισίου οπλισµένου σκυροδέµατος. Τα προβλήµατα λυγισµού που παρουσιάζονται στα θλιβόµενα µέλη και η σχετικά φτωχή µετελαστική συµπεριφορά έχει ως αποτέλεσµα την απότοµη αστοχία και την ανικανότητα απορρόφησης µεγάλου ποσοστού Σχήµα 1: Βρόγχος υστέρησης του σεισµικής ενέργειας, κάτι που καθιστά δυσµενές συνδέσµου δυσκαµψίας[7] το σύστηµα αυτό για έναν πλάστιµο σχεδιασµό. Όσον αφορά τη σύνδεσή τους µε το υπάρχον πλαίσιο (εσωτερικά του κόµβου), αυτή µπορεί να γίνει είτε άµεσα είτε έµµεσα. Η πρώτη περίπτωση εφαρµόζεται µε χρήση κοµβοελασµάτων στους κόµβους του πλαισίου. Η διαγώνια ράβδος συγκολλείται ή κοχλιώνεται στο γωνιακό κοµβοέλασµα και αυτό, στη συνέχεια, συνδέεται κοχλιωτά ή µε συγκόλληση σε γωνιακά µεταλλικά ελάσµατα που είναι επικολληµένα ή αγκυρωµένα στον κόµβο δοκού - υποστυλώµατος του πλαισίου. Επιτυγχάνεται παράλληλα και η ενίσχυση του κόµβου, πράγµα απαραίτητο προκειµένου να παραλάβει τις σεισµικές δυνάµεις που του προκαλούν µεγάλη καταπόνηση. Σχήµα 2: Γωνιακό επικολλητό κοµβοέλασµα[7] Σχήµα 3: Μορφές άµεσης σύνδεσης δικτυωτών συνδέσµων[7] 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

169 Συγκριτική Μελέτη Μεθόδων Ενίσχυσης Πλαισιακών Φορέων, µε ή χωρίς Μαλακό Όροφο, Μέσω Ανελαστικών Στατικών Αναλύσεων. Στην δεύτερη περίπτωση, χαλύβδινα προκατασκευασµένα πλαίσια εισάγονται στο φάτνωµα και σε αυτά συνδέονται οι σύνδεσµοι δυσκαµψίας, συνήθως µε χρήση κοµβοελασµάτων. Έτσι η µεταφορά των δυνάµεων γίνεται έµµεσα από πλαίσιο οπλισµένου σκυροδέµατος στο ενσωµατωµένο µεταλλικό πλαίσιο και από αυτό στα δικτυωτά µέλη. Η διατµητική σύνδεση πλαισίου οπλισµένου σκυροδέµατος και µεταλλικού πλαισίου γίνεται µε τη βοήθεια διατµητικών ήλων, ώστε να εξασφαλιστεί πλήρης σύνδεση [7] ΓΕΜΙΣΜΑ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΜΕ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ Γεµίσµατα φατνωµάτων πλαισίων από έγχυτο ή εκτοξευόµενο οπλισµένο σκυρόδεµα κατασκευάζονται σε επιλεγµένα πλαίσια της κατασκευής. Στην περίπτωση πλήρωσης φατνώµατος στο οποίο έλλειπε η πλινθοδοµή, ελέγχονται λεπτοµερώς οι συνέπειες γύρω από το φάτνωµα καθ ύψος και καθ έκταση. Το τοίχωµα συνδέεται κατά µήκος της περιµέτρου του πλαισίου µε τα υποστυλώµατα και τα δοκάρια, χωρίς όµως ιδιαίτερη µέριµνα για τη σύνδεση αυτή. Στις περιπτώσεις που επιδιώκεται µία πιο πλάστιµη συµπεριφορά της κατασκευής, η σύνδεση γίνεται µόνο στις δοκούς, δηλαδή στο πάνω και στο κάτω µέρος του τοιχώµατος, ενώ στα πλάγια µεταξύ τοιχώµατος και υποστυλώµατος δεν γίνεται σύνδεση και αφήνεται ένα µικρό κενό. Με αυτόν τον τρόπο δεν µεταβιβάζονται στο υποστύλωµα αυξηµένες δυνάµεις από το νέο τοίχωµα. Ο σηµαντικότερος παράγοντας που καθορίζει το κατά πόσον τα απλά γεµίσµατα έχουν ευµενή επιρροή στη συµπεριφορά απόκριση µιας κατασκευής, είναι η διάταξή τους σε κάτοψη, σε τοµή, αλλά και µέσα στο φάτνωµα οπλισµένου σκυροδέµατος. Τοιχοπληρώσεις οι οποίες κατανέµονται οµοιόµορφα κατά µήκος Σχήµα 4: Ενίσχυση µε έκχυτο σκυρόδεµα εντός πλαισίου[8] της περιµέτρου του κτιρίου και χωρίς ασυνέχειες καθ ύψος έχουν γενικά ευνοϊκό ρόλο σε σχέση µε την αντίσταση του κτιρίου σε σεισµικά φορτία. Εκτός από την αντοχή, αυξάνουν και η συνολική πλευρική δυσκαµψία των φορέων, µε αποτέλεσµα να µειώνονται οι µετακινήσεις, άρα και οι ροπές και οι τέµνουσες δευτέρας τάξεως. Κατασκευαστικά προβλήµατα που προκύπτουν είναι η συστολή ξήρανσης (µε συνέπεια τη ρηγµάτωση της επιφάνειας) και η δυσκολία σκυροδέτησης. Για την αντιµετώπιση του πρώτου προβλήµατος υπάρχουν ειδικά σκυροδέµατα, όπως το πολυµερικό καθώς και διάφορα κονιάµατα, τα οποία χαρακτηρίζονται κυρίως από υψηλή πρόσφυση και τη µικρή συστολή ξήρανσης και χρησιµοποιούνται για την προετοιµασία των επιφανειών διάστρωσης. Το δεύτερο πρόβληµα, που συµβαίνει λόγω της ανεπαρκούς πρόσβασης στην κορυφή µε αποτέλεσµα τη δηµιουργία αρµού στο πάνω µέρος, αντιµετωπίζεται µε τσιµεντενέσεις[8] ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΠΛΕΥΡΙΚΩΝ ΤΟΙΧΩΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΥΝΕΧΕΙΑ ΥΠΟΣΤΥΛΩΜΑΤΩΝ ΤΟΙΧΩΜΑΤΑ ΜΕ ΠΤΕΡΥΓΙΑ Η τεχνική της ενίσχυσης αυτής βασίζεται στην βελτίωση της συµπεριφοράς της κατασκευής τοποθετώντας πλευρικά τοιχία Οπλισµένου Σκυροδέµατος εκατέρωθεν υφιστάµενων υποστυλωµάτων και σε σύνδεση µε αυτά. Η προσθήκη τοιχωµάτων γίνεται προς την επιδιωκόµενη διεύθυνση αύξησης της αντίστασης της κατασκευής, ενώ η σύνδεση µε το πλαίσιο µπορεί να είναι είτε κεντρική είτε έκκεντρη (εξωτερική τοποθέτηση). Σε γωνιακά υποστυλώµατα, συνίσταται προσθήκη τοιχωµάτων και στις δύο διευθύνσεις. Για να επιτευχθεί µονολιθική σύνδεση των νέων τοιχωµάτων µε το υποστύλωµα, θα πρέπει τα δύο πλευρικά τοιχία να συνδέονται και µεταξύ τους µέσω πλευρικής ενίσχυσης και 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

170 Λατσός Λεωνίδας, Τουσµάνης Αριστείδης αύξησης του πάχους. Ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί στο γεγονός ότι η µέθοδος αυτή δεν ενδείκνυται σε φατνώµατα όπου η απόσταση µεταξύ των υποστυλωµάτων είναι µικρή. Η σύσταση αυτή ισχύει για την αποφυγή αστοχίας λόγω τέµνουσας των δοκών, καθώς τα πρόσθετα πτερύγια µειώνουν αισθητά το καθαρό άνοιγµά τους. Πρέπει να δοθεί επίσης προσοχή στη σύνδεση υποστυλώµατος και πτερυγίων ώστε να αποφευχθεί παραµόρφωση εκτός του επιπέδου τους. Ειδικότερα για την περίπτωση όπου τα πτερύγια τοποθετούνται έκκεντρα στο υποστύλωµα απαιτείται να είναι αντίστοιχα έκκεντρη και η δοκός. Ταυτόχρονα, λόγω της απαίτησης για σύνδεση των πτερυγίων µεταξύ τους έχουµε αύξηση του πάχους του υπάρχοντος υποστυλώµατος πάνω από πέντε εκατοστά. Σηµαντικό ρόλο στην επιτυχία της µεθόδου παίζει η επίτευξη πλήρης σύνδεσης µεταξύ πτερυγίων και υποστυλώµατος µε χρήση βλήτρων και εκτράχυνση της επιφάνειας. Τέλος, στην περίπτωση που το νέο στοιχείο λειτουργεί ως εξωτερικός τοίχος, είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί η στεγανότητα της σύνδεσης [8]. Σχήµα 5: Προσθήκη πτερυγίων εντός πλαισίου[8] Σχήµα 6: Υποστύλωµα µε πτερύγια[8] 1.4. ΣΤΑΘΜΕΣ ΕΠΙΤΕΛΕΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΙ Οι στόχοι της σεισµικής ικανότητας µιας κατασκευής αποτελούν συνδυασµούς µιας στάθµης επιτελεστικότητας και ενός επιπέδου της σεισµικής δράσης, που συνήθως καθορίζεται από την ανεκτή πιθανότητα υπέρβασης στη διάρκεια ζωής της κατασκευής ή την ισοδύναµη περίοδο επανάληψης. Ο καθορισµός του στόχου για τον οποίο θα γίνει ο σχεδιασµός 18ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

171 Συγκριτική Μελέτη Μεθόδων Ενίσχυσης Πλαισιακών Φορέων, µε ή χωρίς Μαλακό Όροφο, Μέσω Ανελαστικών Στατικών Αναλύσεων. εξαρτάται από τον επιθυµητό συνδυασµό ασφάλειας και κόστους, λαµβάνοντας υπόψη και τη σπουδαιότητα της κατασκευής. Όλοι οι σύγχρονοι κανονισµοί ορίζουν µε µικροδιαφορές τρεις διαφορετικές στάθµες επιτελεστικότητας για τον φέροντα οργανισµό και τα µη φέροντα στοιχεία, ανάλογα µε το επίπεδο βλαβών. Οι στάθµες αυτές είναι: Άµεση χρήση µετά το σεισµό (Immediate Occupancy), Προστασία Ζωής (Life Safety), Οιονεί Κατάρρευση (Structural Stability Collapse Prevention). 2. ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Η παρούσα εργασία ασχολείται µε την αποτίµηση και τον ανασχεδιασµό πλαισίων οπλισµένου σκυροδέµατος. Πιο συγκεκριµένα γίνεται ανάλυση τριών πλαισίων µε τη µέθοδο της Ανελαστικής Στατικής Ανάλυσης (Pushover), σύµφωνα µε τις διατάξεις του Κανονισµού Επεµβάσεων (ΚΑΝ.ΕΠΕ.). Τα πλαίσια αυτά αποτελούν ένα χαρακτηριστικό παράδειγµα κατασκευών της δεκαετίας του 80. Εξετάστηκαν δύο διαφορετικές περιπτώσεις: α) ύπαρξη τοιχοποιίας σε όλα τα φατνώµατα των πλαισίων και β) απουσία τοιχοποιίας µόνο στα φατνώµατα του ισογείου, περίπτωση µαλακού ορόφου pilotis. Στη συνέχεια πραγµατοποιήθηκε ενίσχυση των πλαισίων µε τις εξής µεθόδους: α) Προσθήκη πλευρικών τοιχωµάτων σε συνέχεια υποστυλωµάτων Τοιχώµατα µε πτερύγια β) Γέµισµα πλαισίων µε οπλισµένο σκυρόδεµα και γ) Ενίσχυση µε µεταλλικούς συνδέσµους δυσκαµψίας. Σκοπός της εργασίας είναι η σύγκριση των τριών παραπάνω µεθόδων ως προς την αντοχή, τη δυσκαµψία και τη πλαστιµότητα, η εύρεση της στάθµης επιτελεστικότητας που επιτυγχάνεται κάθε φορά καθώς και η διερεύνηση της απόκρισης των πλαισίων τύπου Pilotis-µαλακού ορόφου πριν και µετά την ενίσχυση. Για τις αναλύσεις χρησιµοποιείται το πρόγραµµα SAP2000 v14 καθώς και το λογισµικό Microsoft Excel. 3. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΦΟΡΕΑ Τα τρία πλαίσια οπλισµένου σκυροδέµατος που εξετάστηκαν φαίνονται στο παρακάτω σχήµα. Σχήµα 7: Τύποι πλαισίων που µελετήθηκαν Ονοµασία πλαισίων: Τα γράµµατα A, B και C αναφέρονται στο τύπο του πλαισίου, ο αριθµός δίπλα αναφέρεται στην ενίσχυση που πραγµατοποιήθηκε, 1:µη ενισχυµένος φορέαςαρχικός, 2:ενίσχυση µε µεταλλικούς συνδέσµους δυσκαµψίας, 3: ενίσχυση µε γέµισµα από σκυρόδεµα, 4: ενίσχυση µε προσθήκη πτερυγίων και τέλος το γράµµα µέσα στη παρένθεση δηλώνει: Μ για τοιχοποιία σε όλα τα φατνώµατα και P για την απουσία τοιχοποιίας στο ισόγειο (µαλακός όροφος-pilotis). Στα φατνώµατα στα οποία δεν έχει σχεδιαστεί η τοιχοποιία σηµαίνει ότι δεν έχει ληφθεί υπόψη στο προσοµοίωµα λόγω υπέρβασης των κανονισµών περί λυγηρότητας και όχι επειδή δεν υπάρχει. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

172 Λατσός Λεωνίδας, Τουσµάνης Αριστείδης Σχήµα 8: Τα αρχικά τοιχοπληρωµένα πλαίσια, όπως αυτά προσοµοιώθηκαν Τα υλικά, οι διατοµές και τα φορτία που επιλέχθηκαν είναι τα εξής: Υποστυλώµατα: 0,25*0,25 m µε διαµήκη οπλισµό 4Φ14 στις γωνίες και εγκάρσιο Φ8/250 (Σχήµα: 9) οκάρια: Θεωρήθηκε πλακοδοκός µε b eff = 0.70 m, πλάτος b w = 0.25 m, ύψος h=0.50 m, πάχος πλάκας h f = 0.13m. ιαµήκης οπλισµός: στη στήριξη 4Φ14 πάνω και 2Φ14 κάτω, στο άνοιγµα 4Φ14 κάτω και 2Φ14 πάνω. Εγκάρσιος οπλισµός Φ8/250 Οπλισµός πλάκας Φ8/250. (Σχήµα: 9) Σκυρόδεµα θλιπτικής αντοχής f c = 16 MPa και µέτρο ελαστικότητας E c = 27.5 GPa Χάλυβας διαµήκους οπλισµού S400 και εγκάρσιου S220 (λείος) µε Ε S = 210 GPa Επικάλυψη οπλισµού : c=25mm Τοιχοπληρώσεις: ιπλός δροµικός τοίχος πάχους 0,20 m µε αντοχή σε λοξή θλίψη f wc,s = 0.75 MPa (κακή ποιότητα σφήνωσης)[3] και µέτρο ελαστικότητας Ε = 560 MPa Μόνιµα φορτίο G = kn/m (συµπεριλαµβανοµένου ίδιου βάρους σκυροδέµατος, επικάλυψη και βάρος τοιχοποιίας, όπου υπάρχει) Κινητό φορτίο 2kN/m 2 µε επιφάνεια επιρροής 4 m 2 που κατανέµεται οµοιόµορφα στο µήκος της δοκού. (2, 1.6 και 1.33 kn/m στις δοκούς µε µήκος 4, 5 και 6 m αντίστοιχα) Σχήµα 9: Οι διατοµές δοκού και υποστυλώµατος που χρησιµοποιήθηκαν 4. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Για την προσοµοίωση και την ανάλυση του κάθε πλαισίου ακολουθήθηκε η παρακάτω διαδικασία: Ορίστηκαν τα υλικά (σκυρόδεµα, τοιχοποιία) και οι διατοµές του κάθε µέλους (οι διατοµές σκυροδέµατος δεν περιελάµβαναν τους οπλισµούς, οι οπλισµοί δόθηκαν έµµεσα όπως περιγράφεται παρακάτω.) 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

173 Συγκριτική Μελέτη Μεθόδων Ενίσχυσης Πλαισιακών Φορέων, µε ή χωρίς Μαλακό Όροφο, Μέσω Ανελαστικών Στατικών Αναλύσεων. Τα κατακόρυφα φορτία των στοιχείων θα συµπεριλαµβάνονται στο προσοµοίωµα, ώστε να συνδυάζονται µε τα οριζόντια φορτία σύµφωνα µε το σεισµικό συνδιασµό του ΕΑΚ (παρ ) Τα οριζόντια στατικά φορτία εφαρµόζονται στη στάθµη κάθε ορόφου σύµφωνα µε την κατανοµή των αδρανειακών φορτίων του σεισµού (εξίσωση 2 του Ε.Α.Κ.). Έγινε προκαταρκτική ελαστική στατική ανάλυση για την εύρεση των αξονικών φορτίων για το συνδυασµό G+0.3Q καθώς ήταν απαραίτητα για τον προσδιορισµό της ανελαστικής συµπεριφοράς των δοµικών στοιχείων. Όταν καθοριστική της ανελαστικής συµπεριφοράς είναι η κάµψη κατάλληλα µεγέθη F και δ είναι η ροπή κάµψης (Μ) και η καµπυλότητα (1/r). Αν καθοριστική της ανελαστικής συµπεριφοράς είναι η διάτµηση κατάλληλα µεγέθη είναι η τέµνουσα δύναµη (V) και η γωνιακή παραµόρφωση (γ). Επειδή στα στοιχεία Ο/Σ οι καµπτικές παραµορφώσεις συνυπάρχουν µε τις διατµητικές και µε τις στροφές των ακραίων διατοµών λόγω εξόλκευσης των οπλισµών από την αγκύρωση, κατάλληλα µεγέθη είναι η ροπή (Μ) και η γωνία στροφής χορδής (θ). Η προσοµοίωση της ανελαστικής συµπεριφοράς των στοιχείων έγινε µε το προσοµοίωµα των σηµειακών πλαστικών αρθρώσεων. Για τον καθορισµό του νόµου ροπών στροφής χορδής (Μ-θ) ενός στοιχείου απαιτείται ο υπολογισµός της στροφής διαρροής, της διαθέσιµης πλαστικής στροφής, της ροπής διαρροής και της ροπής αστοχίας της διατοµής. Οι υπολογισµοί αυτοί έγιναν σε φύλλο εργασίας του Excel (Σχήµα: 21, παράρτηµα) µε βάση τις αναλυτικές σχέσεις του ΚΑΝ.ΕΠΕ (Παρ 7.2, Σχέσεις Α1 Α6 του Παραρτήµατος 7Α καθώς και την Παρ για την εύρεση της στάθµης επιτελεστικότητας κάθε διατοµής.). Έγινε εισαγωγή των διαγραµµάτων Μ θ στο SAP2000 για τις δοκούς και τα υποστυλώµατα (moment rotation data P-M3). Στο πρόγραµµα ορίστηκε και το διάγραµµα αλληλεπίδρασης ροπής αξονικής δύναµης [2] (P M3 interaction curve definition) [6] της ορθογωνικής διατοµής του υποστυλώµατος καθώς όπως αναφέραµε οι διατοµές των υποστυλωµάτων δεν είχαν οπλισµούς. Τα παραπάνω φαίνονται στα (Σχήµατα :10 έως 12). Η τοιχοποιία προσοµοιώθηκε µε ένα διαγώνιο θλιπτήρα, πάχους t=0,20 m και πλάτους b = 0.1 L, όπου L το µήκος της διαγωνίου του φατνώµατος, σύµφωνα µε τις διατάξεις του ΚΑΝ.ΕΠΕ. (Παρ. 7.4). Για παράδειγµα η διατοµή της τοιχοποιίας του πλαισίου Α1(Μ) είναι 0.2*0.64 για το ισόγειο και 0.2*0.55 για τις άνω στάθµες. Όσον αφορά την αντοχή της θλιβόµενης διαγωνίου για τη στάθµη επιτελεστικότητας Β χρησιµοποιήθηκε το διάγραµµα τάσεων παραµορφώσεων του ΚΑΝ.ΕΠΕ (Σχήµα:13). Τοιχοποιίες που ξεπερνούσαν το όριο λυγηρότητας λ > 30 αµελήθηκαν ( όπως στα φατνώµατα µε µήκος 6 m). Η δυσκαµψία των στοιχείων οπλισµένου σκυροδέµατος θεωρήθηκε µειωµένη για να ληφθεί υπόψη η ρηγµάτωση [1]. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

174 Λατσός Λεωνίδας, Τουσµάνης Αριστείδης Σχήµα 10: Εισαγωγή σηµειακής πλαστικής άρθρωσης (Μ-θ) για δοκό Σχήµα 11: Εισαγωγή διαγράµµατος αλληλεπίδρασης ροπής αξονικής για υποστύλωµα Σχήµα 12: Εισαγωγή σηµειακής πλαστικής άρθρωσης (Μ-θ) για υποστύλωµα Σχήµα 13: ιάγραµµα τάσης παραµόρφωσης τοιχοποιίας σύµφωνα µε ΚΑΝ.ΕΠΕ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΜΕ ΧΙΑΣΤΙ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΥΣ ΣΥΝ ΕΣΜΟΥΣ ΥΣΚΑΜΨΙΑΣ Έγινε ενίσχυση µε Χιαστί µεταλλικούς συνδέσµους δυσκαµψίας διατοµής ΗΕΑ140 και ποιότητας χάλυβα S275. Επιλέχτηκε να ενισχυθούν τα µεσαία φατνώµατα των πλαισίων Α και Β και το αριστερό του πλαισίου C (Σχήµα:14) Το διάγραµµα τάσεων παραµορφώσεων εισήχθηκε στο πρόγραµµα µε βάση το Σχήµα του Ευρωκώδικα 3 και τις διατάξεις της Παρ του ΚΑΝ.ΕΠΕ. Θεωρήθηκε άµεση εσωτερική σύνδεση των µεταλλικών συνδέσµων µε τα υπάρχοντα στοιχεία σκυροδέµατος, ικανή να παραλάβει τις δυνάµεις που θα αναπτυχθούν. Οι µεταλλικοί σύνδεσµοι ενώθηκαν στο µέσον του µήκους τους µε κοινό κοµβοέλασµα που µειώνει το µήκος λυγισµού του µέλους στο µισό. Οι µεταλλικοί σύνδεσµοι που επιλέχθηκαν καλύπτουν τις απαιτήσεις που περιγράφονται στις παραγράφους και παράρτηµα Γ του ΕΑΚ. Πιο συγκεκριµένα για την ανηγµένη λυγηρότητα λ ο ΕΑΚ προβλέπει: λ = A f / N < 1.50 (1). Η δυσµενέστερη περίπτωση είναι αυτή του πλαισίου y cr Α στο ισόγειο, µε µήκος λυγισµού L =L/2=6.72/2=3.36. Η διατοµή ΗΕΑ140 έχει γεωµετρικά 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

175 Συγκριτική Μελέτη Μεθόδων Ενίσχυσης Πλαισιακών Φορέων, µε ή χωρίς Μαλακό Όροφο, Μέσω Ανελαστικών Στατικών Αναλύσεων. 2 χαρακτηριστικά: A= 31.42cm, f = 270Mpa, y 4 Imin, z = 389.3cm. N cr = E I 2 π ( kl' ) min 2 (2): το κρίσιµο φορτίο λυγισµού, όπου k=1(αρθρώσεις). A f = m Kn / m = 864Kn, π Kn / m m 864 Ncr = = 680.1Kn. Τελικώς λ = = 1.27 = 1.12< (6.72 / 2) y Σχήµα 14: Πλαίσια ενισχυµένα µε µεταλλικούς συνδέσµους δυσκαµψίας 4.2. ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΜΕ ΓΕΜΙΣΜΑ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΜΕ ΟΠΛΙΣΜΕΝΟ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑ Έγινε γέµισµα φατνωµάτων µε σκυρόδεµα C16/20, πάχους 0,20 m,τοποθετήθηκε διπλή εσχάρα οπλισµού Φ10/200 (B500C) και στις δύο διευθύνσεις. Επιλέχτηκε να ενισχυθούν τα µεσαία φατνώµατα των πλαισίων Α και Β και το αριστερό του πλαισίου C (Σχήµα:15) όπως και στη προηγούµενη µέθοδο. Η προσοµοίωση έγινε µε ένα διαγώνιο θλιπτήρα πάχους t = 0.20 m και πλάτους b = 0.1 L, όπου L το µήκος της διαγωνίου (όµοια µε τη διαδικασία που ακολουθήθηκε και για τη προσοµοίωση της τοιχοποιίας). Σχήµα 15: Πλαίσια ενισχυµένα µε γέµισµα φατνωµάτων µε οπλισµένο σκυρόδεµα 4.3. ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΜΕ ΠΛΕΥΡΙΚΑ ΤΟΙΧΩΜΑΤΑ ΠΤΕΡΥΓΙΑ Επιλέχτηκε να γίνει ενίσχυση υποστυλωµάτων µε πτερύγια µήκους 0,35 m σε κάθε µια από τις πλευρές του. Το πλάτος αυξήθηκε από 0,25 σε 0,35 m για να µπορέσει να γίνει σύνδεση των δύο πτερυγίων. Η ποιότητα του καινούργιου σκυροδέµατος ήταν C16/20. Κάθε πτερύγιο είχε οπλισµό 7Φ18 και συνδετήρες Φ10/130, χάλυβας Β500C. (Σχήµα:16). Τα υποστυλώµατα που ενισχύθηκαν ήταν: οι δύο µεσαίες σειρές υποστυλωµάτων στα πλαίσια Α και Β και το µεσαίο υποστύλωµα στο πλαίσιο C (Σχήµα: 17). Για να προσοµοιωθεί σωστά η στατική λειτουργία των καινούργιων υποστυλωµάτων έγινε υπολογισµός και εισαγωγή διαγράµµατος αλληλεπίδρασης αξονικής δύναµης ροπής (Ρ Μ3) και νόµου ροπής 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

176 Λατσός Λεωνίδας, Τουσµάνης Αριστείδης στροφής χορδής (Μ-θ), όπως και παραπάνω. Θεωρήθηκε πλήρης σύνδεση παλαιού νέου σκυροδέµατος (καλές συνθήκες συνάφειας και χρήση βλήτρων). Σχήµα 16: ιατοµή ενισχυµένου υποστυλώµατος µε πτερύγια Σχήµα 17: Πλαίσια ενισχυµένα µε πτερύγια 5. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΜΕΧΡΙ ΑΣΤΟΧΙΑ ΤΟΥ ΦΟΡΕΑ Οι καµπύλες αντίστασης οι οποίες προκύπτουν από την Ανελαστική Στατική Ανάλυση µέχρι αστοχίας του φορέα παρουσιάζονται παρακάτω, (Σχήµα: 19). Πάνω στις καµπύλες Τέµνουσας Βάσης-Μετατόπισης κορυφής φαίνονται οι στάθµες επιτελεστικότητας για κάθε φορέα όπως αυτές προκύπτουν από το πρόγραµµα SAP2000 v.14 σύµφωνα µε τους νόµους υλικών (Μ-θ κτλ) που ορίστηκαν παραπάνω. Τα σηµεία µε τη τελεία: ( ) ορίζουνε τις στάθµες επιτελεστικότητας. Η πρώτη τελεία αντιστοιχεί στην στάθµη επιτελεστικότητας: Άµεση χρήση, η δεύτερη στη Προστασία ζωής και τη τρίτη στην Οιονεί κατάρρευση. Τα σηµεία µε το τρίγωνο: ( ) ορίζουνε τη στοχευόµενη µετακίνηση για δεδοµένη περίοδο επανάληψης του σεισµού σχεδιασµού. Στη παρούσα εργασία ο σεισµός που γίνεται ο σχεδιασµός είναι: για πιθανότητα υπέρβασης σεισµικής δράσης σε 50 χρόνια 10% (δηλαδή για περίοδο επανάληψης 475 χρόνια). 2 Te Εύρεση της στοχευόµενης µετακίνησης : δ = C C C C Φ (3) t e 2 4π Ο υπολογισµός της στοχευόµενης µετατόπισης βασίζεται στη µέθοδο των συντελεστών (ΚΑΝ.ΕΠΕ Σ5.8 ) και η µέθοδος αυτή βασίζεται στο ισοδύναµο µονοβάθµιο σύστηµα[9]. Κατασκευάζουµε το διγραµµικό διάγραµµα για την καµπύλη ικανότητας: κατασκευάζεται ο µετελαστικός κλάδος οριζόντιας δυσκαµψίας ακe (Σχήµα:18) κατά την κρίση του µηχανικού, και θεωρώντας ότι η αντίστοιχη ευθεία διέρχεται από το σηµείο που η καµπύλη ικανότητας έχει γίνει περίπου οριζόντια. Στη συνέχεια ορίζεται η ισοδύναµη ελαστική δυσκαµψία Κe από την ευθεία που ενώνει την αρχή των αξόνων µε το σηµείο πάνω στη καµπύλη ικανότητας που αντιστοιχεί στο 60% της τέµνουσας διαρροής, V y ( η δύναµη αυτή δεν είναι γνωστή εκ των προτέρων). Ορίζεται η τέµνουσα διαρροής V y από το σηµείο τοµής των ευθειών αke και Ke. Από δυναµική ανάλυση υπολογίζεται η θεµελιώδης ιδιοπερίοδος της κατασκευής Ti, λαµβάνοντας υπόψη την ελαστική δυσκαµψία Κο. Για να υπολογίσουµε 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

177 Συγκριτική Μελέτη Μεθόδων Ενίσχυσης Πλαισιακών Φορέων, µε ή χωρίς Μαλακό Όροφο, Μέσω Ανελαστικών Στατικών Αναλύσεων. την ενεργό θεµελιώδη ιδιοπερίοδο που αντιστοιχεί σε δυσκαµψία Ke χρησιµοποιούµε τη σχέση: Te = Ti Ko / Ke (4). Οι τιµές για τους συντελεστές C o έως C 3 ανάλογα µε τη στάθµη που σχεδιάζουµε δίνονται ΚΑΝ.ΕΠΕ (παρ ) Σχήµα 18: Κατασκευή ιδεατής διγραµµικής απεικόνισης της καµπύλης ικανότητας Πλαίσια Θεµελ Ιδιοπ. Ti (sec) (Ko/Ke) 0,5 Ενεργ. Θεµ. Ιδιοπ. Συντελεστές Ελαστ. Φασµ. Επιτ. Στοχ. Μετατοπ. Μετατόπιση για κάθε στάθµη (m) Te C0 C1 C2 C3 Φe δt (m) A.X A.Z A.K (sec) A1 A(Μ) 0,565 1,70 0,9612 1,3 1 1,1 1 3,6740 0,1230 0,1070 0,1490 0,1920 Α(P) 0,997 1,41 1,4076 1,3 1 1,1 1 2,5089 0,1801 0,1030 0,1501 0,1950 A2 A(Μ) 0,182 1,09 0,1990 1,3 1 1,1 1 5,8860 0,0084 0,0105 0,0134 0,0190 Α(P) 0,203 1,15 0,2332 1,3 1 1,1 1 5,8860 0,0116 0,0103 0,0134 0,0186 A3 A(Μ) 0,18 1,17 0,2099 1,3 1 1,1 1 5,8860 0, ,0230 Α(P) 0,191 1,08 0,2062 1,3 1 1,1 1 5,8860 0, ,0147 A4 A(Μ) 0,276 1,60 0,4416 1,3 1 1,1 1 5,8860 0,0416 0,1690 0,2920 0,3890 Α(P) 0,442 1,63 0,7202 1,3 1 1,1 1 1,9614 0,0369 0,1530 0,2840 0,3860 B1 B(M) 0,563 1,57 0,8855 1,3 1 1,1 1 3,9881 0,1133 0,1060 0,1530 0,1820 B(P) 0,887 1,39 1,2368 1,3 1 1,1 1 2,8553 0,1582 0,1140 0,1540 0,1930 B2 B(M) 0,178 1,16 0,2071 1,3 1 1,1 1 5,5260 0,0086 0,0115 0,0146 0,026 B(P) 0,198 1,15 0,2275 1,3 1 1,1 1 5,8860 0,0110 0,0105 0,0142 0,0253 B3 B(M) 0,164 1,15 0,1894 1,3 1 1,1 1 5,5320 0, ,0150 B(P) 0,167 1,07 0,1785 1,3 1 1,1 1 5,8860 0, ,0147 B4 B(M) 0,217 1,50 0,3255 1,3 1 1,1 1 5,8860 0,0226 0,1560 0,2580 0,3820 B(P) 0,223 1,55 0,3456 1,3 1 1,1 1 5,8860 0,0255 0,1530 0,2550 0,3790 C1 C(M) 0,676 1,80 1,2164 1,3 1 1,1 1 2,9033 0,1556 0,1160 0,1517 0,1760 C(P) 1,198 1,15 1,3737 1,3 1 1,1 1 2,5708 0,1757 0,1130 0,1512 0,1850 C2 C(M) 0,264 1,05 0,2770 1,3 1 1,1 1 5,8860 0,0164 0,0203-0,0342 C(P) 1,264 1,05 0,2770 1,3 1 1,1 1 5,8860 0,0164 0,0189-0,0337 C3 C(M) 0,245 1,05 0,2573 1,3 1 1,1 1 5,8860 0, ,0276 C(P) 1,245 1,73 0,2573 1,3 1 1,1 1 5,8860 0, ,0276 C4 C(M) 0,416 1,73 0,7205 1,3 1 1,1 1 4,9014 0,0922 0,1980 0,2920 0,3750 C(P) 0,442 1,26 0,5591 1,1 1 1,1 1 6,3167 0,0605 0,2160 0,2810 0,3740 Πίνακας 1: Υπολογισµός στοχευόµενης µετακίνησης και όρια για της στάθµες επιτελεστικότητας 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

178 Λατσός Λεωνίδας, Τουσµάνης Αριστείδης 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

179 Συγκριτική Μελέτη Μεθόδων Ενίσχυσης Πλαισιακών Φορέων, µε ή χωρίς Μαλακό Όροφο, Μέσω Ανελαστικών Στατικών Αναλύσεων. 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

180 Λατσός Λεωνίδας, Τουσµάνης Αριστείδης Σχήµα 19: ιαγράµµατα Τέµνουσας βάσης Μετακίνησης κορυφής από Ανελαστική ανάλυση 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος

181 Συγκριτική Μελέτη Μεθόδων Ενίσχυσης Πλαισιακών Φορέων, µε ή χωρίς Μαλακό Όροφο, Μέσω Ανελαστικών Στατικών Αναλύσεων. Σχήµα 20: Απεικόνιση απόκρισης πλαστικής άρθρωσης σύµφωνα µε το δοθέν νόµο Μ-θ κατά την ανάλυση Pushover στο πλαίσιο Α4(Ρ), (βάση δεξιού υποστυλώµατος ισογείου) 6.ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Τα αρχικά πλαίσια αστοχούν για µικρή τιµή τέµνουσας βάσης λόγω σχηµατισµού πλαστικών αρθρώσεων στα υποστυλώµατα του ισογείου. Στα µεν (Μ) αυτό συµβαίνει επειδή το ισόγειο έχει µεγαλύτερο ύψος από τους υπόλοιπους ορόφους, άρα είναι και περισσότερο εύκαµπτο, στα δε (Ρ) το φαινόµενο ενισχύεται από την απουσία τοιχοποιίας στην τελευταία στάθµη. Η ενίσχυση µε χιαστί µεταλλικούς συνδέσµους δυσκαµψίας προσδίδει στα πλαίσια πολύ µεγάλη αντοχή και δυσκαµψία. Πλαστικές αρθρώσεις δεν δηµιουργούνται πλέον µόνο στη στάθµη του ισογείου, αλλά σε όλους τους κόµβους του φορέα. Τελικά η αστοχία προέρχεται από λυγισµό του θλιβόµενου µεταλλικού συνδέσµου στα πλαίσια Α(Μ,Ρ) (αυτή η αστοχία δίνει µία µικρή πλαστιµότητα στο πλαίσιο) και στις υπόλοιπες περιπτώσεις από αστοχία των υποστυλωµάτων (στην περίµετρο των φατνωµάτων που διατάσσονται οι ράβδοι δικτύωσης) σε εφελκυσµό, που είναι εντελώς ψαθυρή συµπεριφορά. Η ενίσχυση µε γέµισµα φατνωµάτων µε Ο/Σ επίσης προσδίδει στο πλαίσιο µεγάλη αντοχή και δυσκαµψία, αλλά µετατρέπει την αστοχία του σε απότοµη και ψαθυρή (πολύ µικρή πλαστιµότητα). Οι πλαστικές αρθρώσεις µεταφέρονται από το ισόγειο στους πιο πάνω ορόφους στα αρχικά στάδια της ανάλυσης pushover. Τελικά σε όλες τις περιπτώσεις η αστοχία προήλθε από εφελκυσµό των υποστυλωµάτων ισογείου που συνδέονται µε το τοιχίο σκυροδέµατος. Η ενίσχυση µε πλευρικά τοιχία πτερύγια προσδίδει στα πλαίσια µέτρια αντοχή και δυσκαµψία, αλλά πολύ µεγάλη πλαστιµότητα. Οι πλαστικές αρθρώσεις ξεκινάνε από τις δοκούς που συνδέονται µε τα πτερύγια (αυτό οφείλεται στην πολύ µεγάλη δυσκαµψία του νέου υποστυλώµατος σε σχέση µε το δοκάρι) και τελικά κατανέµονται οµοιόµορφα σε όλους τους κόµβους του πλαισίου. Συγκρίνοντας τα αρχικά πλαίσια βρίσκουµε ότι η ύπαρξη τοιχοποιίας στο ισόγειο αυξάνει την αντοχή του πλαισίου 10 33% σε σχέση µε την περίπτωση της Pilotis. Το 33% προκύπτει από τα πλαίσια Α όπου και τα τρία φατνώµατα ισογείου καλύπτονται µε τοίχο, ενώ το 10% από το C, όπου µόνο το ένα από τα δύο φατνώµατα είναι καλυµµένο. Τα πλαίσια Β αποτελούν µία ενδιάµεση περίπτωση. Στα ενισχυµένα πλαίσια, οι διαφορές µεταξύ πλαισίων (Μ) και (Ρ) είναι ελάχιστες. Αυτό οφείλεται στο ότι η συνεισφορά των τοίχων του ισογείου στην απόκριση σε σχέση µε 18 ο Φοιτητικό Συνέδριο: Επισκευές Κατασκευών Πάτρα, Φεβρουάριος